Злокачественная трансформация клеток и факторы канцерогенеза.

Введение

Процесс, посредством которого клетки приобретают свойства рака.

Злокачественная трансформация – это процесс, в результате которого клетки приобретают свойства рака. Это может происходить как первичный процесс в нормальной ткани, так и вторично, в виде злокачественного перерождения ранее существовавшей доброкачественной опухоли.

Причины

Существует множество причин первичной злокачественной трансформации, или опухолеобразования. Большинство случаев рака у людей в Соединенных Штатах вызваны внешними факторами, и эти факторы в значительной степени предотвратимы. Эти факторы были обобщены Доллом и Пето в 1981 году. Было показано, что переход коренным африканцам на западную диету в течение двух недель увеличивает концентрацию вторичных желчных кислот, включая канцерогенную дезоксихолевую кислоту, в 400 раз и изменяет микробиоту толстой кишки, что указывает на важную роль различий в микробиоте толстой кишки человека в прогрессировании рака толстой кишки.

Диета и рак легких

Второй пример, связывающий компонент питания с раком, иллюстрируется раком легких. Было проведено два крупных популяционных исследования, одно в Италии и одно в Соединенных Штатах. В Италии исследование включало две когорты: первая состояла из 1721 человека с диагнозом рак легких и без тяжелых сопутствующих заболеваний, а вторая – из 1918 контрольных лиц без анамнеза рака легких или каких-либо тяжелых заболеваний. Все участники заполнили опросник о частоте употребления продуктов питания, включающий информацию о потреблении грецких орехов, фундука, миндаля и арахиса, а также указали свой статус курильщика. В Соединенных Штатах о потреблении арахиса, грецких орехов, семян и других орехов, а также других продуктов питания и статусе курильщика были опрошены 495 785 членов AARP. В ходе этого исследования в США за период до 16 лет наблюдения было выявлено 18 533 новых случая рака легких. В целом, у людей, находившихся в самой высокой квинтиле частоты потребления орехов, риск развития рака легких был на 26% ниже в итальянском исследовании и на 14% ниже в исследовании в США. Схожие результаты были получены среди курильщиков.

Из-за табака

Наиболее важными химическими соединениями в дыме табака, обладающими канцерогенными свойствами, являются те, которые вызывают повреждение ДНК, поскольку именно такое повреждение представляется основной причиной развития рака. Каннингэм и соавторы объединили микрограммовый вес соединения в дыме одной сигареты с известным генотоксическим эффектом на микрограмм, чтобы определить наиболее канцерогенные соединения в сигаретном дыме. Эти соединения и их генотоксическое действие перечислены в статье "Сигареты". Три наиболее значимых соединения – акролеин, формальдегид и акрилонитрил, все они являются известными канцерогенами.

Вирусы

В 2002 году Международное агентство по исследованию рака Всемирной организации здравоохранения оценило, что 11,9% всех случаев рака у людей вызываются одним из семи вирусов (см. обзорную таблицу онковирусов). К ним относятся вирус Эпштейна-Барр (EBV или HHV4); герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши (KSHV или HHV8); вирусы гепатита B и гепатита C (HBV и HCV); ретровирус T-лимфотропный человека 1 типа (HTLV 1); полиомавирус клеток Меркеля (MCPyV); и группа альфа-папилломавирусов человека (HPV).

Helicobacter pylori и рак желудка

В 1995 году эпидемиологические данные указали на то, что инфекция Helicobacter pylori повышает риск развития рака желудка. В последнее время экспериментальные данные показали, что инфицирование штаммами Helicobacter pylori, положительными по cagA, вызывает выраженное воспаление и окислительное повреждение ДНК, что ведет к прогрессированию рака желудка.

Другие роли бактерий в канцерогенезе

Перера и соавторы ссылались на ряд статей, указывающих на роль бактерий в развитии других видов рака. Они упомянули отдельные исследования о роли Chlamydia trachomatis в раке шейки матки, Salmonella typhi в раке желчного пузыря, а также Bacteroides fragilis и Fusobacterium nucleatum в раке толстой кишки. Мёрман недавно обобщил данные, связывающие оральную микробиоту с канцерогенезом. Несмотря на то, что эти исследования являются перспективными, они требуют дальнейшего подтверждения.

Мутации

Одной из основных общих черт рака является генетическая мутация, приобретаемая либо по наследству, либо, что встречается чаще, мутациями в соматической ДНК в течение жизни. Важными в контексте рака считаются мутации, изменяющие гены, кодирующие белки (экзом). Как отмечают Vogelstein и другие исследователи, типичная опухоль содержит от двух до восьми экзомных "генов-драйверов" и большее количество экзомных мутаций, являющихся "пассажирскими" и не дающих селективного преимущества в росте. Рак также обычно характеризуется геномной нестабильностью, включающей высокую частоту мутаций в некодирующей ДНК, составляющей около 98% генома человека. Среднее число мутаций последовательности ДНК во всем геноме ткани рака молочной железы составляет около 20 000. В среднем, в меланоме (где меланомы характеризуются более высокой частотой экзомных мутаций…

Заглушение транскрипции

Второй основной общий признак рака – измененная эпигенетическая регуляция транскрипции. При раковых заболеваниях потеря экспрессии генов происходит примерно в 10 раз чаще в результате эпигенетического подавления транскрипции (вызываемого, например, гиперметилированием промоторов CpG-островов), чем в результате мутаций. Как показали Vogelstein и др., такое метилирование отключает экспрессию гена так же эффективно, как и мутация. Около 60–70% человеческих генов имеют CpG-остров в своей промоторной области. При раке толстой кишки, помимо гиперметилированных генов, у нескольких сотен других генов наблюдается гипометилирование (недометилирование) промоторов, что приводит к включению этих генов, когда обычно они должны быть выключены. Эпигенетическое подавление или эпигенетическая сверхэкспрессия генов микроРНК, вызванная аберрантным метилированием ДНК в промоторных областях, контролирующих их экспрессию, – частое явление в раковых клетках. Было обнаружено, что почти треть промоторов микроРНК, активных в нормальных клетках молочной железы, гиперметилированы в клетках рака молочной железы, что в несколько раз превышает частоту изменений метилирования, обычно наблюдаемую для генов, кодирующих белки. Другие промоторы микроРНК гипометилированы при раке молочной железы, и, как следствие, эти микроРНК сверхэкспрессируются. Некоторые из этих сверхэкспрессированных микроРНК оказывают значительное влияние на прогрессирование рака молочной железы. BRCA1 обычно экспрессируется в клетках молочной железы и других тканей, где он помогает восстанавливать поврежденную ДНК или уничтожать клетки, если ДНК не подлежит восстановлению. BRCA1 участвует в восстановлении хромосомных повреждений, играя важную роль в репарации разрывов двойной спирали ДНК без ошибок. Экспрессия BRCA1 снижена или не обнаруживается в большинстве высокодифференцированных протоковых раков молочной железы. Только около 3–8% всех женщин с раком молочной железы несут мутацию в BRCA1 или BRCA2. Гиперметилирование промотора BRCA1 было обнаружено лишь в 13% неселекционированных первичных карцином молочной железы. Однако в раковых клетках молочной железы наблюдается в среднем примерно 100-кратное увеличение уровня miR-182 по сравнению с нормальной тканью молочной железы. В клеточных линиях рака молочной железы существует обратная корреляция между уровнями белка BRCA1 и экспрессией miR-182. Таким образом, представляется, что значительная часть снижения или отсутствия BRCA1 при высокодифференцированных протоковых раках молочной железы может быть обусловлена сверхэкспрессией miR-182. Помимо miR-182, пара почти идентичных микроРНК, miR-146a и miR-146b 5p, также подавляют экспрессию BRCA1. Эти две микроРНК сверхэкспрессируются в тройно-негативных опухолях, и их сверхэкспрессия приводит к инактивации BRCA1. Таким образом, miR-146a и/или miR-146b 5p также могут способствовать снижению экспрессии BRCA1 при этих тройно-негативных раках молочной железы. Посттранскрипционная регуляция микроРНК происходит либо посредством трансляционного подавления целевой мРНК, либо посредством деградации целевой мРНК через комплементарное связывание, преимущественно с определенными последовательностями в 3'-нетранслируемой области мРНК целевого гена. Механизм трансляционного подавления или деградации целевой мРНК реализуется посредством комплекса, индуцированного РНК (RISC).

A second underlying commonality in cancers is altered epigenetic regulation of transcription. In cancers, loss of gene expression occurs about 10 times more frequently by epigenetic transcription silencing (caused, for example, by promoter hypermethylation of CpG islands) than by mutations. As Vogelstein et al. Such methylation turns off expression of a gene as completely as a mutation would. Around 60–70% of human genes have a CpG island in their promoter region. In colon cancers, in addition to hypermethylated genes, several hundred other genes have hypomethylated (under methylated) promoters, thereby causing these genes to be turned on when they ordinarily would be turned off. Epigenetic silencing or epigenetic over expression of miRNA genes, caused by aberrant DNA methylation of the promoter regions controlling their expression, is a frequent event in cancer cells. Almost one third of miRNA promoters active in normal mammary cells were found to be hypermethylated in breast cancer cells, and that is a several fold greater proportion of promoters with altered methylation than is usually observed for protein coding genes. Other microRNA promoters are hypomethylated in breast cancers, and, as a result, these microRNAs are over expressed. Several of these over expressed microRNAs have a major influence in progression to breast cancer. BRCA1 is normally expressed in the cells of breast and other tissue, where it helps repair damaged DNA, or destroy cells if DNA cannot be repaired. BRCA1 is involved in the repair of chromosomal damage with an important role in the error free repair of DNA double strand breaks. BRCA1 expression is reduced or undetectable in the majority of high grade, ductal breast cancers. Only about 3–8% of all women with breast cancer carry a mutation in BRCA1 or BRCA2. BRCA1 promoter hypermethylation was present in only 13% of unselected primary breast carcinomas. However, breast cancers were found to have an average of about 100 fold increase in miR 182, compared to normal breast tissue. In breast cancer cell lines, there is an inverse correlation of BRCA1 protein levels with miR 182 expression. Thus it appears that much of the reduction or absence of BRCA1 in high grade ductal breast cancers may be due to over expressed miR 182. In addition to miR 182, a pair of almost identical microRNAs, miR 146a and miR 146b 5p, also repress BRCA1 expression. These two microRNAs are over expressed in triple negative tumors and their over expression results in BRCA1 inactivation. Thus, miR 146a and/or miR 146b 5p may also contribute to reduced expression of BRCA1 in these triple negative breast cancers. Post transcriptional regulation by microRNA occurs either through translational silencing of the target mRNA or through degradation of the target mRNA, via complementary binding, mostly to specific sequences in the three prime untranslated region of the target gene's mRNA. The mechanism of translational silencing or degradation of target mRNA is implemented through the RNA induced silencing complex (RISC).

Генотипирование репарации ДНК

Заглушение гена восстановления ДНК гиперметилированием или другими эпигенетическими изменениями, по-видимому, является частым этапом в прогрессировании рака. Как указано в обзоре, гиперметилирование промотора гена восстановления ДНК MGMT наблюдается в 93% случаев рака мочевого пузыря, 88% случаев рака желудка, 74% случаев рака щитовидной железы, 40–90% случаев колоректального рака и 50% случаев рака мозга. Кроме того, гиперметилирование промоторов генов восстановления ДНК LIG4, NEIL1, ATM, MLH1 или FANCB встречается с частотой от 33% до 82% при одном или нескольких типах рака головы и шеи, немелкоклеточного рака легких или плоскоклеточной карциномы немелкоклеточного рака легких. Более того, в статье о геликазах, зависимых от АТФ при синдроме Вернера, указывается, что ген восстановления ДНК WRN имеет промотор, который часто гиперметилируется при различных видах рака, при этом гиперметилирование WRN наблюдается в 11–38% случаев колоректального, рака головы и шеи, рака желудка, рака простаты, рака молочной железы, рака щитовидной железы, неходжкинской лимфомы, хондросаркомы и остеосаркомы. Такое заглушение, вероятно, действует аналогично мутации в зародышевой линии гена восстановления ДНК и предрасполагает клетку и ее потомство к прогрессированию рака. Другой обзор отмечает, что при эпигенетическом заглушении гена, необходимого для восстановления ДНК, восстановление ДНК, как правило, становится дефицитным, и повреждения ДНК могут накапливаться. Увеличение повреждений ДНК может приводить к увеличению числа ошибок во время синтеза ДНК, что вызывает мутации, приводящие к раку.

Вызывается тяжелыми металлами

Тяжелые металлы кадмий, мышьяк и никель являются канцерогенными при превышении определенных уровней. Известно, что кадмий обладает канцерогенными свойствами, возможно, из-за нарушения репарации ДНК. Лей и соавторы оценили влияние низких уровней кадмия на экспрессию пяти генов, участвующих в репарации ДНК, у крыс. Они обнаружили, что кадмий вызывает репрессию трех генов репарации ДНК: XRCC1, необходимого для репарации оснований путем иссечения, OGG1, также необходимого для репарации оснований путем иссечения, и ERCC1, необходимого для репарации нуклеотидов путем иссечения. Репрессия этих генов не была связана с метилированием их промоторных областей. Бхаттачарджи и соавторы провели обзор данных о канцерогенности мышьяка. Соединения никеля проявляют слабую мутагенную активность, но значительно изменяют транскрипционный профиль ДНК у подвергшихся воздействию людей.

Клинические признаки

Злокачественное перерождение клеток в доброкачественной опухоли может быть выявлено при патологическом исследовании тканей. Часто клинические признаки и симптомы позволяют заподозрить злокачественную опухоль. При сборе анамнеза врач может выяснить, что у пациента изменились размеры образования или его ощущения, а при непосредственном осмотре – что изменился сам очаг поражения. Оценку риска можно провести для определенных типов доброкачественных опухолей, которые склонны к злокачественному перерождению. Одним из наиболее известных примеров этого явления является прогрессирование невуса в меланому.