Формирование рака: механизмы и генетика.

Введение

Формирование рака
научные журналы

Карциногенез, также называемый онкогенезом или туморогенезом, – это процесс образования рака, при котором нормальные клетки трансформируются в раковые. Этот процесс характеризуется изменениями на клеточном, генетическом и эпигенетическом уровнях, а также аномальным делением клеток. Деление клеток – это физиологический процесс, происходящий практически во всех тканях и при различных обстоятельствах. Обычно баланс между пролиферацией и запрограммированной гибелью клеток, в форме апоптоза, поддерживается для обеспечения целостности тканей и органов. Согласно преобладающей общепринятой теории канцерогенеза, теории соматических мутаций, мутации в ДНК и эпимутации, приводящие к раку, нарушают эти упорядоченные процессы, вмешиваясь в программирование, регулирующее их, и нарушая нормальный баланс между пролиферацией и гибелью клеток. Это приводит к неконтролируемому делению клеток и эволюции этих клеток в организме посредством естественного отбора. Лишь определенные мутации приводят к раку, в то время как большинство мутаций не оказывают такого эффекта. Варианты унаследованных генов могут предрасполагать к раку. Кроме того, факторы окружающей среды, такие как канцерогены и радиация, вызывают мутации, которые могут способствовать развитию рака. Наконец, случайные ошибки при нормальной репликации ДНК могут приводить к мутациям, вызывающим рак. Обычно для трансформации нормальной клетки в раковую требуется последовательность из нескольких мутаций в определенные классы генов. Недавняя комплексная классификация и количественная оценка драйверных событий на уровне пациентов в когортах TCGA показали, что в среднем на опухоль приходится 12 драйверных событий, из которых 0,6 – точечные мутации в онкогенах, 1,5 – амплификации онкогенов, 1,2 – точечные мутации в генах-супрессорах опухолей, 2,1 – делеции генов-супрессоров опухолей, 1,5 – потери хромосом-драйверов, 1 – усиление хромосом-драйверов, 2 – потери хромосомных плеч-драйверов и 1,5 – усиление хромосомных плеч-драйверов. Мутации в генах, регулирующих деление клеток, апоптоз (клеточную смерть) и репарацию ДНК, могут приводить к неконтролируемой пролиферации клеток и раку. Рак – это фундаментально болезнь регуляции роста тканей. Для того чтобы нормальная клетка трансформировалась в раковую, необходимо изменить гены, регулирующие рост и дифференцировку клеток. Генетические и эпигенетические изменения могут происходить на многих уровнях: от приобретения или потери целых хромосом до мутации, затрагивающей единственный нуклеотид ДНК, или до подавления или активации микроРНК, контролирующей экспрессию от 100 до 500 генов. Существует две основные категории генов, на которые влияют эти изменения. Онкогены могут быть нормальными генами, экспрессирующимися на неадекватно высоком уровне, или измененными генами, обладающими новыми свойствами. В любом случае экспрессия этих генов способствует злокачественному фенотипу раковых клеток. Гены-супрессоры опухолей – это гены, которые ингибируют деление клеток, выживание или другие свойства раковых клеток. Гены-супрессоры опухолей часто инактивируются генетическими изменениями, способствующими развитию рака. Наконец, Oncovirinae, вирусы, содержащие онкоген, классифицируются как онкогенные, поскольку они вызывают рост опухолевой ткани у хозяина. Этот процесс также называют вирусной трансформацией. Также считается, что рак может быть вызван хромосомными аномалиями, как это объясняется в хромосомной теории рака.

Carcinogenesis, also called oncogenesis or tumorigenesis, is the formation of a cancer, whereby normal cells are transformed into cancer cells. The process is characterized by changes at the cellular, genetic, and epigenetic levels and abnormal cell division. Cell division is a physiological process that occurs in almost all tissues and under a variety of circumstances. Normally, the balance between proliferation and programmed cell death, in the form of apoptosis, is maintained to ensure the integrity of tissues and organs. According to the prevailing accepted theory of carcinogenesis, the somatic mutation theory, mutations in DNA and epimutations that lead to cancer disrupt these orderly processes by interfering with the programming regulating the processes, upsetting the normal balance between proliferation and cell death. This results in uncontrolled cell division and the evolution of those cells by natural selection in the body. Only certain mutations lead to cancer whereas the majority of mutations do not. Variants of inherited genes may predispose individuals to cancer. In addition, environmental factors such as carcinogens and radiation cause mutations that may contribute to the development of cancer. Finally random mistakes in normal DNA replication may result in cancer causing mutations. A series of several mutations to certain classes of genes is usually required before a normal cell will transform into a cancer cell. Recent comprehensive patient level classification and quantification of driver events in TCGA cohorts revealed that there are on average 12 driver events per tumor, of which 0.6 are point mutations in oncogenes, 1.5 are amplifications of oncogenes, 1.2 are point mutations in tumor suppressors, 2.1 are deletions of tumor suppressors, 1.5 are driver chromosome losses, 1 is a driver chromosome gain, 2 are driver chromosome arm losses, and 1.5 are driver chromosome arm gains. Mutations in genes that regulate cell division, apoptosis (cell death), and DNA repair may result in uncontrolled cell proliferation and cancer. Cancer is fundamentally a disease of regulation of tissue growth. In order for a normal cell to transform into a cancer cell, genes that regulate cell growth and differentiation must be altered. Genetic and epigenetic changes can occur at many levels, from gain or loss of entire chromosomes, to a mutation affecting a single DNA nucleotide, or to silencing or activating a microRNA that controls expression of 100 to 500 genes. There are two broad categories of genes that are affected by these changes. Oncogenes may be normal genes that are expressed at inappropriately high levels, or altered genes that have novel properties. In either case, expression of these genes promotes the malignant phenotype of cancer cells. Tumor suppressor genes are genes that inhibit cell division, survival, or other properties of cancer cells. Tumor suppressor genes are often disabled by cancer promoting genetic changes. Finally Oncovirinae, viruses that contain an oncogene, are categorized as oncogenic because they trigger the growth of tumorous tissues in the host. This process is also referred to as viral transformation. It is also believed that cancer is caused due to chromosomal abnormalities as explained in chromosome theory of cancer.

Генетические и эпигенетические

Существует разнообразная схема классификации различных геномных изменений, которые могут способствовать возникновению раковых клеток. Многие из этих изменений – мутации, или изменения в нуклеотидной последовательности геномной ДНК. Существует также множество эпигенетических изменений, которые влияют на экспрессию генов, включая их активацию или подавление. Анеуплоидия, характеризующаяся аномальным числом хромосом, является геномным изменением, не являющимся мутацией, и может включать как увеличение, так и уменьшение числа одной или нескольких хромосом из-за ошибок в митозе. Крупномасштабные мутации включают делецию или дупликацию участка хромосомы. Геномное усиление происходит, когда клетка приобретает множество копий (часто 20 и более) небольшого хромосомного региона, обычно содержащего один или несколько онкогенов и прилегающий генетический материал. Транслокация возникает, когда две отдельные хромосомные области аномально сливаются, часто в определенном, характерном месте. Хорошо известным примером является хромосома Филадельфии, или транслокация хромосом 9 и 22, которая наблюдается при хроническом миелолейкозе и приводит к образованию белка BCR-ABL, онкогенной тирозинкиназы. Мелкомасштабные мутации включают точечные мутации, делеции и вставки, которые могут происходить в промоторе гена и влиять на его экспрессию, или в кодирующей последовательности гена, изменяя функцию или стабильность его белкового продукта. Нарушение функции одного гена также может быть вызвано интеграцией геномного материала от ДНК-вируса или ретровируса, что может привести к экспрессии вирусных онкогенов в пораженной клетке и ее потомстве.

Нестабильность генома

Известно, что раковые заболевания характеризуются геномной нестабильностью или "мутаторным фенотипом". ДНК, кодирующая белки в ядре, составляет около 1,5% от общей геномной ДНК. В пределах этой ДНК, кодирующей белки (называемой экзомой), средняя опухоль молочной железы или толстой кишки может содержать около 60–70 мутаций, изменяющих белки, из которых примерно 3–4 могут быть "двигающими" мутациями, а остальные – "пассажирскими" мутациями. В среднем образце ткани меланомы (меланомы характеризуются более высокой частотой мутаций в экзоме) эти высокие частоты мутаций в общей нуклеотидной последовательности при раке позволяют предположить, что часто раннее изменение в поле дефекта, приводящее к развитию рака (например, желтая область на диаграмме в предыдущем разделе), является дефицитом в репарации ДНК. Обширные поля дефектов, окружающие рак толстой кишки (простирающиеся примерно на 10 см с каждой стороны от опухоли), часто демонстрируют эпигенетические дефекты в двух или трех белках репарации ДНК (ERCC1, ERCC4 (XPF) и/или PMS2) во всей области поля дефекта. При снижении экспрессии генов репарации ДНК повреждение ДНК накапливается в клетках с более высокой, чем обычно, скоростью, и это избыточное повреждение вызывает повышенную частоту мутаций и/или эпимутаций. Скорость мутаций значительно возрастает в клетках с дефектами в репарации неспаренных оснований ДНК, а не вследствие мутаций или эпимутаций. Рак также рассматривается как метаболическое заболевание, при котором клеточный метаболизм кислорода перенаправляется с пути, генерирующего энергию (окислительное фосфорилирование), на путь, генерирующий активные формы кислорода. Другая концепция развития рака основана на воздействии слабых магнитных и электромагнитных полей и их влиянии на окислительный стресс, что известно как магнитокарциногенез. Ряд авторов подвергли сомнению предположение о том, что рак возникает в результате последовательности случайных мутаций, считая это чрезмерным упрощением, и предположили, что рак возникает из-за неспособности организма подавлять врожденную, запрограммированную тенденцию к пролиферации. Связанная с этим теория предполагает, что рак – это атавизм, эволюционное возвращение к более ранней форме многоклеточной жизни. Гены, ответственные за неконтролируемый рост клеток и кооперацию между раковыми клетками, очень похожи на те, которые позволили первым многоклеточным организмам объединяться и процветать. Эти гены все еще присутствуют в геномах более сложных метазоев, таких как люди, хотя более поздние эволюционировавшие гены сдерживают их активность. Когда новые контролирующие гены выходят из строя по какой-либо причине, клетка может вернуться к более примитивному программированию и бесконтрольно размножаться. Эта теория является альтернативой представлению о том, что рак начинается с "неблагополучных" клеток, которые эволюционируют внутри организма. Вместо этого они обладают фиксированным набором примитивных генов, которые прогрессивно активируются, обеспечивая им ограниченную изменчивость. Другая эволюционная теория помещает корни рака к происхождению эукариотической (имеющей ядро) клетки посредством масштабного горизонтального переноса генов, когда геномы инфицирующих вирусов были расщеплены (и, следовательно, ослаблены) хозяином, но их фрагменты были интегрированы в геном хозяина в качестве иммунной защиты. Таким образом, рак возникает, когда редкая соматическая мутация рекомбинирует такие фрагменты в функциональный драйвер клеточной пролиферации.

Cancers are known to exhibit genome instability or a "mutator phenotype". The protein coding DNA within the nucleus is about 1.5% of the total genomic DNA. Within this protein coding DNA (called the exome), an average cancer of the breast or colon can have about 60 to 70 protein altering mutations, of which about 3 or 4 may be "driver" mutations, and the remaining ones may be "passenger" mutations. In an average melanoma tissue sample (melanomas have a higher exome mutation frequency), These high frequencies of mutations in the total nucleotide sequences within cancers suggest that often an early alteration in the field defect giving rise to a cancer (e. g. yellow area in the diagram in the preceding section) is a deficiency in DNA repair. Large field defects surrounding colon cancers (extending to about 10 cm on each side of a cancer) are found to frequently have epigenetic defects in two or three DNA repair proteins (ERCC1, ERCC4 (XPF) and/or PMS2) in the entire area of the field defect. When expression of DNA repair genes is reduced, DNA damage accumulates in cells at a higher than normal rate, and this excess damage causes an increased frequency of mutation and/or epimutation. Mutation rates strongly increase in cells defective in DNA mismatch repair rather than by mutations or epimutations. Cancer has also been considered as a metabolic disease, in which the cellular metabolism of oxygen is diverted from the pathway that generates energy (oxidative phosphorylation) to the pathway that generates reactive oxygen species. Another concept of cancer development is based on exposure to weak magnetic and electromagnetic fields and their effects on oxidative stress, known as magnetocarcinogenesis. A number of authors have questioned the assumption that cancers result from sequential random mutations as oversimplistic, suggesting instead that cancer results from a failure of the body to inhibit an innate, programmed proliferative tendency. A related theory suggests that cancer is an atavism, an evolutionary throwback to an earlier form of multicellular life. The genes responsible for uncontrolled cell growth and cooperation between cancer cells are very similar to those that enabled the first multicellular life forms to group together and flourish. These genes still exist within the genomes of more complex metazoans, such as humans, although more recently evolved genes keep them in check. When the newer controlling genes fail for whatever reason, the cell can revert to its more primitive programming and reproduce out of control. The theory is an alternative to the notion that cancers begin with rogue cells that undergo evolution within the body. Instead, they possess a fixed number of primitive genes that are progressively activated, giving them finite variability. Another evolutionary theory puts the roots of cancer back to the origin of the eukaryote (nucleated) cell by massive horizontal gene transfer, when the genomes of infecting viruses were cleaved (and thereby attenuated) by the host, but their fragments integrated into the host genome as immune protection. Cancer thus originates when a rare somatic mutation recombines such fragments into a functional driver of cell proliferation.

Биология раковых клеток

Часто множественные генетические изменения, приводящие к раку, могут накапливаться в течение многих лет. За это время биологическое поведение предраковых клеток постепенно меняется от характеристик нормальных клеток к свойствам, характерным для раковых клеток. Предраковая ткань может иметь отличительный вид при микроскопическом исследовании. К отличительным признакам предракового поражения относятся увеличение количества делящихся клеток, вариабельность размера и формы ядер, вариабельность размера и формы клеток, потеря специализированных клеточных признаков и нарушение нормальной организации ткани. Дисплазия – это аномальный тип избыточной пролиферации клеток, характеризующийся нарушением нормальной структуры и организации ткани в предраковых клетках. Эти ранние новообразования необходимо отличать от гиперплазии – обратимого увеличения клеточного деления, вызванного внешним стимулом, таким как гормональный дисбаланс или хроническое раздражение. Наиболее тяжелые случаи дисплазии обозначаются как карцинома in situ. В переводе с латыни "in situ" означает "на месте"; карцинома in situ – это неконтролируемый рост диспластических клеток, который остается в месте своего первоначального расположения и не демонстрирует инвазии в другие ткани. Карцинома in situ может трансформироваться в инвазивную злокачественную опухоль и обычно удаляется хирургическим путем при ее выявлении.

Рак как дефект в клеточных взаимодействиях

Обычно, когда ткань повреждена или инфицирована, поврежденные клетки вызывают воспаление, стимулируя специфические паттерны активности ферментов и экспрессию генов цитокинов в окружающих клетках. Выделяются дискретные кластеры ("кластеры цитокинов") молекул, которые действуют как медиаторы, индуцируя активность последующих каскадов биохимических изменений. Каждый цитокин связывается со специфическими рецепторами на различных типах клеток, и каждый тип клеток, в свою очередь, реагирует, изменяя активность внутриклеточных путей передачи сигналов, в зависимости от рецепторов, которые экспрессирует клетка, и сигнальных молекул, присутствующих внутри клетки. В совокупности этот процесс перепрограммирования вызывает поэтапное изменение фенотипов клеток, что в конечном итоге приводит к восстановлению функции ткани и восстановлению ее существенной структурной целостности. Таким образом, ткань может заживать, в зависимости от продуктивной коммуникации между клетками в месте повреждения и иммунной системой. Ключевым фактором в заживлении является регуляция экспрессии генов цитокинов, которая позволяет различным группам клеток реагировать на воспалительные медиаторы таким образом, чтобы постепенно вызывать необходимые изменения в физиологии ткани. Раковые клетки имеют либо постоянные (генетические), либо обратимые (эпигенетические) изменения в геноме, которые частично подавляют их взаимодействие с окружающими клетками и иммунной системой. Раковые клетки не взаимодействуют со своей микросредой таким образом, чтобы защитить целостность ткани; вместо этого, их перемещение и выживание становятся возможными в местах, где они могут нарушать функцию ткани. Раковые клетки выживают, "перестраивая" сигнальные пути, которые обычно защищают ткань от иммунной системы. Это изменение иммунного ответа проявляется и на ранних стадиях злокачественного процесса. Одним из примеров перестройки функции ткани при раке является активность фактора транскрипции NF κB. Эта перепрограммирование клеточных фенотипов обычно обеспечивает развитие полностью функциональной, неповрежденной ткани. Активность NF κB строго контролируется множеством белков, которые в совокупности обеспечивают, чтобы только дискретные кластеры генов индуцировались NF κB в данной клетке и в данный момент времени. Это жесткое регулирование обмена сигналами между клетками защищает ткань от чрезмерного воспаления и гарантирует, что различные типы клеток постепенно приобретают взаимодополняющие функции и определенные позиции. Нарушение этого взаиморегулирования между генетической перепрограммированием и клеточными взаимодействиями позволяет раковым клеткам давать начало метастазам. Раковые клетки аберрантно реагируют на цитокины и активируют сигнальные каскады, которые могут защитить их от иммунной системы.

Normally, once a tissue is injured or infected, damaged cells elicit inflammation by stimulating specific patterns of enzyme activity and cytokine gene expression in surrounding cells. Discrete clusters ("cytokine clusters") of molecules are secreted, which act as mediators, inducing the activity of subsequent cascades of biochemical changes. Each cytokine binds to specific receptors on various cell types, and each cell type responds in turn by altering the activity of intracellular signal transduction pathways, depending on the receptors that the cell expresses and the signaling molecules present inside the cell. Collectively, this reprogramming process induces a stepwise change in cell phenotypes, which will ultimately lead to restoration of tissue function and toward regaining essential structural integrity. A tissue can thereby heal, depending on the productive communication between the cells present at the site of damage and the immune system. One key factor in healing is the regulation of cytokine gene expression, which enables complementary groups of cells to respond to inflammatory mediators in a manner that gradually produces essential changes in tissue physiology. Cancer cells have either permanent (genetic) or reversible (epigenetic) changes to their genome, which partly inhibit their communication with surrounding cells and with the immune system. Cancer cells do not communicate with their tissue microenvironment in a manner that protects tissue integrity; instead, the movement and the survival of cancer cells become possible in locations where they can impair tissue function. Cancer cells survive by "rewiring" signal pathways that normally protect the tissue from the immune system. This alteration of the immune response is evident in early stages of malignancy too. One example of tissue function rewiring in cancer is the activity of transcription factor NF κB. This reprogramming of cellular phenotypes normally allows the development of a fully functional intact tissue. NF κB activity is tightly controlled by multiple proteins, which collectively ensure that only discrete clusters of genes are induced by NF κB in a given cell and at a given time. This tight regulation of signal exchange between cells protects the tissue from excessive inflammation, and ensures that different cell types gradually acquire complementary functions and specific positions. Failure of this mutual regulation between genetic reprogramming and cell interactions allows cancer cells to give rise to metastasis. Cancer cells respond aberrantly to cytokines, and activate signal cascades that can protect them from the immune system.

В рыбе

Роль йода в морских рыбах (богатых йодом) и пресноводных рыбах (с дефицитом йода) изучена не до конца, однако сообщается, что пресноводные рыбы более подвержены инфекционным и, в особенности, неопластическим и атеросклеротическим заболеваниям, чем морские. Морские хрящевые рыбы, такие как акулы, скаты и другие, гораздо реже болеют раком, чем пресноводные рыбы, и поэтому стали стимулом для медицинских исследований, направленных на лучшее понимание канцерогенеза.

Механизмы

Для того чтобы клетки начали бесконтрольно делиться, гены, регулирующие рост клеток, должны быть дезорганизованы (или нарушены). Протоонкогены – это гены, стимулирующие рост клеток и митоз, в то время как гены-супрессоры опухолей подавляют рост клеток или временно останавливают клеточное деление для проведения репарации ДНК. Как правило, для превращения нормальной клетки в раковую требуется несколько последовательных мутаций в этих генах. Метаболизм обеспечивает большинство строительных блоков, необходимых для дублирования клеточных компонентов делящейся клетки и, следовательно, также играет важную роль в канцерогенезе. Ген Ras был впервые обнаружен в геноме вируса саркомы Харви, и исследователи были удивлены, обнаружив, что этот ген присутствует не только в геноме человека, но и способен индуцировать рак в клеточных культурах при лигировании со стимулирующим регуляторным элементом. Недавно были предложены новые механизмы, согласно которым трансформация клеток при канцерогенезе определяется общим порогом активности онкогенных сетей (например, Ras-сигнализации), а не статусом отдельного онкогена.

Протоонкогены

Протоонкогены стимулируют рост клеток различными путями. Многие из них способны производить гормоны – "химические посредники" между клетками, которые поощряют митоз, при этом эффект зависит от передачи сигнала в принимающей ткани или клетках. Некоторые отвечают за систему передачи сигналов и сигнальные рецепторы в самих клетках и тканях, тем самым контролируя чувствительность к этим гормонам. Они часто производят митогены или участвуют в транскрипции ДНК при синтезе белков, создавая белки и ферменты, ответственные за производство продуктов и биохимических веществ, которые клетки используют и с которыми взаимодействуют. Мутации в протоонкогенах могут изменять их экспрессию и функцию, увеличивая количество или активность белка-продукта. В этом случае они превращаются в онкогены, и клетки получают повышенную вероятность чрезмерного и неконтролируемого деления. Вероятность развития рака нельзя снизить, удаляя протоонкогены из генома, поскольку они критически важны для роста, восстановления и поддержания гомеостаза организма. Чрезмерными сигналы для роста становятся только при мутациях. Важно отметить, что ген, обладающий способностью стимулировать рост, может повысить канцерогенный потенциал клетки при условии активации всех необходимых клеточных механизмов, обеспечивающих рост. Это условие также включает инактивацию специфических генов-супрессоров опухолей (см. ниже). Если это условие не выполняется, клетка может прекратить рост и перейти к апоптозу. Поэтому определение стадии и типа раковой клетки, растущей под контролем конкретного онкогена, имеет решающее значение для разработки стратегий лечения.

Гены-супрессоры опухолей

Гены-супрессоры опухолей кодируют антипролиферативные сигналы и белки, подавляющие митоз и рост клеток. Как правило, супрессоры опухолей являются факторами транскрипции, которые активируются при клеточном стрессе или повреждении ДНК. Часто повреждение ДНК вызывает появление свободно плавающего генетического материала, а также других признаков, и запускает ферменты и пути, приводящие к активации генов-супрессоров опухолей. Функция этих генов заключается в остановке прогрессирования клеточного цикла для проведения репарации ДНК, предотвращая передачу мутаций дочерним клеткам. Белок p53, один из наиболее изученных генов-супрессоров опухолей, является фактором транскрипции, активируемым многими клеточными стрессорами, включая гипоксию и повреждение ультрафиолетовым излучением. Несмотря на то, что почти половина всех случаев рака, возможно, связана с изменениями в p53, его функция подавления опухолей изучена недостаточно. p53 явно выполняет две функции: одна – ядерная, как фактор транскрипции, а другая – цитоплазматическая, в регуляции клеточного цикла, деления клеток и апоптоза. Эффект Варбурга – это предпочтительное использование гликолиза для получения энергии, необходимой для поддержания роста рака. Показано, что p53 регулирует переход от дыхательного к гликолитическому пути. Однако мутация может повредить сам ген-супрессор опухоли или сигнальный путь, который его активирует, "выключая" его. Неизбежным следствием этого является затруднение или ингибирование репарации ДНК: повреждение ДНК накапливается без восстановления, что неизбежно приводит к раку. Мутации генов-супрессоров опухолей, возникающие в клетках зародышевой линии, передаются потомству и повышают вероятность диагностики рака в последующих поколениях. У членов этих семей наблюдается повышенная заболеваемость и сниженная латентность множественных опухолей. Типы опухолей типичны для каждого типа мутации гена-супрессора опухоли, при этом некоторые мутации вызывают определенные виды рака, а другие – другие. Способ наследования мутантных супрессоров опухолей заключается в том, что пораженный индивид наследует дефектную копию от одного родителя и нормальную копию от другого. Например, у людей, унаследовавших один мутантный аллель p53 (и, следовательно, являющихся гетерозиготами по мутированному p53), могут развиться меланомы и рак поджелудочной железы, известный как синдром Ли-Фраумени. Другие наследственные синдромы, связанные с генами-супрессорами опухолей, включают мутации Rb, связанные с ретинобластомой, и мутации гена APC, связанные с аденоматозным полипозом толстой кишки. Аденоматозный полипоз толстой кишки связан с тысячами полипов в толстой кишке в молодом возрасте, что приводит к раку толстой кишки в относительно раннем возрасте. Наконец, наследственные мутации в BRCA1 и BRCA2 приводят к раннему развитию рака молочной железы. Развитие рака было предложено в 1971 году как зависящее как минимум от двух мутационных событий. В том, что стало известно как гипотеза двух ударов Кнудсона, унаследованная мутация зародышевой линии в гене-супрессоре опухоли вызовет рак только в том случае, если в дальнейшем в жизни организма произойдет другое мутационное событие, инактивирующее другой аллель этого гена-супрессора опухоли. Обычно онкогены доминантны, поскольку содержат мутации, приводящие к усилению функции, в то время как мутировавшие супрессоры опухолей рецессивны, поскольку содержат мутации, приводящие к потере функции. Каждая клетка имеет две копии одного и того же гена, по одной от каждого родителя, и в большинстве случаев мутации, приводящие к усилению функции, в одной копии конкретного протоонкогена достаточно, чтобы сделать этот ген истинным онкогеном. С другой стороны, мутации, приводящие к потере функции, должны произойти в обеих копиях гена-супрессора опухоли, чтобы сделать этот ген полностью нефункциональным. Однако существуют случаи, когда одна мутировавшая копия гена-супрессора опухоли может сделать другую, дикого типа, копию нефункциональной. Это явление называется доминантным негативным эффектом и наблюдается во многих мутациях p53. Модель двух ударов Кнудсона в последнее время была оспорена несколькими исследователями. Инактивация одного аллеля некоторых генов-супрессоров опухолей достаточна для возникновения опухолей. Это явление называется гаплоинсуффициенцией и было продемонстрировано рядом экспериментальных подходов. Опухоли, вызванные гаплоинсуффициенцией, обычно возникают в более позднем возрасте по сравнению с теми, которые возникают в результате двух ударов.

Tumor suppressor genes code for anti proliferation signals and proteins that suppress mitosis and cell growth. Generally, tumor suppressors are transcription factors that are activated by cellular stress or DNA damage. Often DNA damage will cause the presence of free floating genetic material as well as other signs, and will trigger enzymes and pathways that lead to the activation of tumor suppressor genes. The functions of such genes is to arrest the progression of the cell cycle in order to carry out DNA repair, preventing mutations from being passed on to daughter cells. The p53 protein, one of the most important studied tumor suppressor genes, is a transcription factor activated by many cellular stressors including hypoxia and ultraviolet radiation damage. Despite nearly half of all cancers possibly involving alterations in p53, its tumor suppressor function is poorly understood. p53 clearly has two functions: one a nuclear role as a transcription factor, and the other a cytoplasmic role in regulating the cell cycle, cell division, and apoptosis. The Warburg effect is the preferential use of glycolysis for energy to sustain cancer growth. p53 has been shown to regulate the shift from the respiratory to the glycolytic pathway. However, a mutation can damage the tumor suppressor gene itself, or the signal pathway that activates it, "switching it off". The invariable consequence of this is that DNA repair is hindered or inhibited: DNA damage accumulates without repair, inevitably leading to cancer. Mutations of tumor suppressor genes that occur in germline cells are passed along to offspring, and increase the likelihood for cancer diagnoses in subsequent generations. Members of these families have increased incidence and decreased latency of multiple tumors. The tumor types are typical for each type of tumor suppressor gene mutation, with some mutations causing particular cancers, and other mutations causing others. The mode of inheritance of mutant tumor suppressors is that an affected member inherits a defective copy from one parent, and a normal copy from the other. For instance, individuals who inherit one mutant p53 allele (and are therefore heterozygous for mutated p53) can develop melanomas and pancreatic cancer, known as Li Fraumeni syndrome. Other inherited tumor suppressor gene syndromes include Rb mutations, linked to retinoblastoma, and APC gene mutations, linked to adenopolyposis colon cancer. Adenopolyposis colon cancer is associated with thousands of polyps in colon while young, leading to colon cancer at a relatively early age. Finally, inherited mutations in BRCA1 and BRCA2 lead to early onset of breast cancer. Development of cancer was proposed in 1971 to depend on at least two mutational events. In what became known as the Knudson two hit hypothesis, an inherited, germ line mutation in a tumor suppressor gene would cause cancer only if another mutation event occurred later in the organism's life, inactivating the other allele of that tumor suppressor gene. Usually, oncogenes are dominant, as they contain gain of function mutations, while mutated tumor suppressors are recessive, as they contain loss of function mutations. Each cell has two copies of the same gene, one from each parent, and under most cases gain of function mutations in just one copy of a particular proto oncogene is enough to make that gene a true oncogene. On the other hand, loss of function mutations need to happen in both copies of a tumor suppressor gene to render that gene completely non functional. However, cases exist in which one mutated copy of a tumor suppressor gene can render the other, wild type copy non functional. This phenomenon is called the dominant negative effect and is observed in many p53 mutations. Knudson's two hit model has recently been challenged by several investigators. Inactivation of one allele of some tumor suppressor genes is sufficient to cause tumors. This phenomenon is called haploinsufficiency and has been demonstrated by a number of experimental approaches. Tumors caused by haploinsufficiency usually have a later age of onset when compared with those by a two hit process.

Многочисленные мутации

В общем, для развития рака необходимы мутации в обоих типах генов. Например, мутация, затрагивающая только один онкоген, будет подавлена нормальным контролем митоза и генами-супрессорами опухолей, что было впервые предложено в гипотезе Кнудсона.

Немутагенные канцерогены

Многие мутагены также являются канцерогенами, но некоторые канцерогены не являются мутагенами. Примеры канцерогенов, не являющихся мутагенами, включают алкоголь и эстроген. Считается, что они способствуют развитию рака, стимулируя скорость клеточного митоза. Ускоренные темпы митоза уменьшают возможности для ферментов репарации восстановления поврежденной ДНК во время репликации, повышая вероятность генетической ошибки. Ошибка, допущенная в процессе митоза, может привести к тому, что дочерние клетки получат неверное количество хромосом, что вызывает анеуплоидию и может привести к раку.

Бактериальные

Helicobacter pylori может вызывать рак желудка. Хотя данные различаются в разных странах, в целом у 1–3% людей, инфицированных Helicobacter pylori, в течение жизни развивается рак желудка, по сравнению с 0,13% людей, не инфицированных H. pylori. Инфекция H. pylori широко распространена. По оценкам 2002 года, она обнаруживается в желудочной ткани у 74% взрослых людей среднего возраста в развивающихся странах и у 58% – в развитых странах. Поскольку у 1–3% инфицированных людей может развиться рак желудка, рак желудка, индуцированный H. pylori, является третьей по значимости причиной смертности от рака во всем мире по состоянию на 2018 год. Инфекция H. pylori протекает бессимптомно примерно у 80% инфицированных. У около 75% людей, инфицированных H. pylori, развивается гастрит. Таким образом, типичным следствием инфекции H. pylori является хронический бессимптомный гастрит. Из-за обычно отсутствующих симптомов, к моменту диагностики рак желудка часто оказывается в достаточно продвинутой стадии. У более чем половины пациентов с раком желудка при первоначальной диагностике обнаруживаются метастазы в лимфатические узлы. Гастрит, вызванный H. pylori, сопровождается воспалением, характеризующимся инфильтрацией нейтрофилов и макрофагов в желудочный эпителий, что способствует накоплению провоспалительных цитокинов и реактивных кислородных/азотных видов (ROS/RNS). Значительное присутствие ROS/RNS вызывает повреждение ДНК, включая 8-оксо-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG). Помимо окислительного повреждения ДНК, связанного с 8-OHdG, инфекция H. pylori вызывает и другие характерные повреждения ДНК, в том числе разрывы двойных нитей ДНК. H. pylori также вызывает множество эпигенетических изменений, связанных с развитием рака. Эти эпигенетические изменения обусловлены индуцированным H. pylori метилированием CpG-сайтов в промоторных областях генов. Инфекция H. pylori связана с эпигенетически сниженной эффективностью системы репарации ДНК, что способствует накоплению мутаций и геномной нестабильности, а также карциногенезу желудка. В частности, Raza и соавторы показали, что экспрессия двух белков репарации ДНК, ERCC1 и PMS2, значительно снижается по мере прогрессирования инфекции H. pylori до развития диспепсии. Диспепсия встречается примерно у 20% инфицированных. Кроме того, как отмечается в обзоре Raza и соавторов, это позволяет клеткам с повреждением ДНК "игнорировать апоптотический сигнал" и продолжать клеточный цикл.

Helicobacter pylori can cause gastric cancer. Although the data varies between different countries, overall about 1% to 3% of people infected with Helicobacter pylori develop gastric cancer in their lifetime compared to 0.13% of individuals who have had no H. pylori infection. H. pylori infection is very prevalent. As evaluated in 2002, it is present in the gastric tissues of 74% of middle aged adults in developing countries and 58% in developed countries. Since 1% to 3% of infected individuals are likely to develop gastric cancer, H. pylori induced gastric cancer is the third highest cause of worldwide cancer mortality as of 2018. Infection by H. pylori causes no symptoms in about 80% of those infected. About 75% of individuals infected with H. pylori develop gastritis. Thus, the usual consequence of H. pylori infection is chronic asymptomatic gastritis. Because of the usual lack of symptoms, when gastric cancer is finally diagnosed it is often fairly advanced. More than half of gastric cancer patients have lymph node metastasis when they are initially diagnosed. The gastritis caused by H. pylori is accompanied by inflammation, characterized by infiltration of neutrophils and macrophages to the gastric epithelium, which favors the accumulation of pro inflammatory cytokines and reactive oxygen species/reactive nitrogen species (ROS/RNS). The substantial presence of ROS/RNS causes DNA damage including 8 oxo 2' deoxyguanosine (8 OHdG). In addition to the oxidative DNA damage 8 OHdG, H. pylori infection causes other characteristic DNA damages including DNA double strand breaks. H. pylori also causes many epigenetic alterations linked to cancer development. These epigenetic alterations are due to H. pylori induced methylation of CpG sites in promoters of genes H. pylori infection is associated with epigenetically reduced efficiency of the DNA repair machinery, which favors the accumulation of mutations and genomic instability as well as gastric carcinogenesis. In particular, Raza et al. showed that expression of two DNA repair proteins, ERCC1 and PMS2, was severely reduced once H. pylori infection had progressed to cause dyspepsia. Dyspepsia occurs in about 20% of infected individuals. In addition, as reviewed by Raza et al., allowing cells with DNA damage to "run an apoptotic red light" and proceed through the cell cycle.

Вирусная

Кроме того, многие виды рака возникают в результате вирусной инфекции; это особенно справедливо для животных, таких как птицы, но в меньшей степени для людей. 12% случаев рака у человека можно связать с вирусной инфекцией. Вирусные опухоли можно разделить на две категории: остро трансформирующиеся и медленно трансформирующиеся. В остро трансформирующихся вирусах вирусные частицы несут ген, кодирующий сверхактивный онкоген, называемый вирусным онкогеном (v-onc), и инфицированная клетка трансформируется сразу после экспрессии v-onc. В отличие от этого, в медленно трансформирующихся вирусах вирусный геном встраивается, особенно поскольку встраивание вирусного генома является обязательной частью жизненного цикла ретровирусов, рядом с протоонкогеном в геноме хозяина. Вирусный промотор или другие элементы регуляции транскрипции, в свою очередь, вызывают сверхэкспрессию этого протоонкогена, что, в свою очередь, индуцирует неконтролируемую клеточную пролиферацию. Поскольку встраивание вирусного генома не специфично для протоонкогенов, а вероятность встраивания вблизи протоонкогена невелика, медленно трансформирующиеся вирусы имеют очень длижный период латентности опухоли по сравнению с остро трансформирующими вирусами, которые уже несут вирусный онкоген. Вирусы, известные своей способностью вызывать рак, такие как ВПЧ (рак шейки матки), гепатит В (рак печени) и ВЭБ (один из видов лимфомы), являются ДНК-вирусами. Считается, что при заражении клетки вирусом, он вставляет часть своей ДНК рядом с генами, регулирующими рост клетки, вызывая клеточное деление. Группа измененных клеток, образованная в результате деления первой клетки, содержит одну и ту же вирусную ДНК рядом с генами роста клетки. Эта группа измененных клеток становится особенной, поскольку теряется один из нормальных механизмов контроля роста. В зависимости от локализации, клетки могут быть повреждены радиацией, химическими веществами из табачного дыма и воспалением, вызванным бактериальной инфекцией или другими вирусами. Каждая клетка подвержена риску повреждения. Часто поврежденные клетки погибают из-за нарушения жизненно важных процессов или действия иммунной системы, однако иногда повреждение приводит к инактивации одного гена, связанного с раком. У пожилого человека существуют тысячи, десятки тысяч или сотни тысяч клеток с инактивированными генами. Вероятность того, что какая-либо из них станет раковой, очень мала. Однако, когда повреждение происходит в области измененных клеток, происходит нечто иное. Каждая из этих клеток обладает потенциалом к росту. Измененные клетки будут делиться быстрее при повреждении области физическими, химическими или вирусными агентами. Таким образом, формируется порочный круг: повреждение области вызывает деление измененных клеток, что увеличивает вероятность дальнейшей инактивации генов. Эта модель канцерогенеза популярна, поскольку объясняет, почему раковые опухоли растут. Можно предположить, что клетки, поврежденные радиацией, погибнут или, по крайней мере, будут находиться в худшем состоянии из-за снижения числа функционирующих генов; вирусы же увеличивают число работающих генов. Существует мнение, что в конечном итоге нам потребуется разработать тысячи вакцин для предотвращения действия каждого вируса, способного изменять наши клетки. Вирусы могут по-разному воздействовать на различные части тела. Возможно, иммунизация против одного вируса позволит предотвратить развитие нескольких различных видов рака. Вероятно, например, ВПЧ играет роль в развитии рака слизистых оболочек ротовой полости.

Furthermore, many cancers originate from a viral infection; this is especially true in animals such as birds, but less so in humans. 12% of human cancers can be attributed to a viral infection. The mode of virally induced tumors can be divided into two, acutely transforming or slowly transforming. In acutely transforming viruses, the viral particles carry a gene that encodes for an overactive oncogene called viral oncogene (v onc), and the infected cell is transformed as soon as v onc is expressed. In contrast, in slowly transforming viruses, the virus genome is inserted, especially as viral genome insertion is an obligatory part of retroviruses, near a proto oncogene in the host genome. The viral promoter or other transcription regulation elements, in turn, cause over expression of that proto oncogene, which, in turn, induces uncontrolled cellular proliferation. Because viral genome insertion is not specific to proto oncogenes and the chance of insertion near that proto oncogene is low, slowly transforming viruses have very long tumor latency compared to acutely transforming virus, which already carries the viral oncogene. Viruses that are known to cause cancer such as HPV (cervical cancer), Hepatitis B (liver cancer), and EBV (a type of lymphoma), are all DNA viruses. It is thought that when the virus infects a cell, it inserts a part of its own DNA near the cell growth genes, causing cell division. The group of changed cells that are formed from the first cell dividing all have the same viral DNA near the cell growth genes. The group of changed cells are now special because one of the normal controls on growth has been lost. Depending on their location, cells can be damaged through radiation, chemicals from cigarette smoke, and inflammation from bacterial infection or other viruses. Each cell has a chance of damage. Cells often die if they are damaged, through failure of a vital process or the immune system, however, sometimes damage will knock out a single cancer gene. In an old person, there are thousands, tens of thousands, or hundreds of thousands of knocked out cells. The chance that any one would form a cancer is very low. When the damage occurs in any area of changed cells, something different occurs. Each of the cells has the potential for growth. The changed cells will divide quicker when the area is damaged by physical, chemical, or viral agents. A vicious circle has been set up: Damaging the area will cause the changed cells to divide, causing a greater likelihood that they will experience knock outs. This model of carcinogenesis is popular because it explains why cancers grow. It would be expected that cells that are damaged through radiation would die or at least be worse off because they have fewer genes working; viruses increase the number of genes working. One thought is that we may end up with thousands of vaccines to prevent every virus that can change our cells. Viruses can have different effects on different parts of the body. It may be possible to prevent a number of different cancers by immunizing against one viral agent. It is likely that HPV, for instance, has a role in cancers of the mucous membranes of the mouth.

Гельминтоз

Известно, что некоторые паразитические черви обладают канцерогенными свойствами. К ним относятся: Clonorchis sinensis (возбудитель клонорхоза) и Opisthorchis viverrini (возбудитель описторхоза), связанные с холангиокарциномой. Виды шистосом (возбудители шистосомоза) связаны с раком мочевого пузыря.

Эпигенетика

Эпигенетика – это изучение регуляции экспрессии генов посредством химических, немутационных изменений в структуре ДНК. Теория эпигенетики в патогенезе рака заключается в том, что немутационные изменения в ДНК могут приводить к изменениям в экспрессии генов. Обычно онкогены находятся в неактивном состоянии, например, из-за метилирования ДНК. Потеря этого метилирования может индуцировать аберрантную экспрессию онкогенов, что приводит к развитию рака. Известные механизмы эпигенетических изменений включают метилирование ДНК, а также метилирование или ацетилирование гистонных белков, связанных с хромосомной ДНК в определенных участках. Классы препаратов, известные как ингибиторы HDAC и ингибиторы ДНК-метилтрансферазы, могут восстанавливать эпигенетическую регуляцию в раковых клетках. Эпимутации включают метилирование или деметилирование CpG-островов промоторных областей генов, что приводит к репрессии или дерепрессии экспрессии генов, соответственно. Эпимутации также могут возникать в результате ацетилирования, метилирования, фосфорилирования или других модификаций гистонов, формируя гистонный код, который подавляет или активирует экспрессию генов, и такие эпимутации гистонов могут быть важными эпигенетическими факторами при раке. Кроме того, канцерогенные эпимутации могут возникать в результате изменений архитектуры хромосом, вызванных белками, такими как HMGA2. Еще одним источником эпимутаций является изменение уровня экспрессии микроРНК (миРНК). Например, повышенная экспрессия miR-137 может приводить к снижению экспрессии 491 генов, а miR-137 эпигенетически подавляется в 32% случаев колоректального рака. Более того, рецидив рака и развитие метастазов также связывают с этими клетками. Гипотеза о раковых стволовых клетках не противоречит более ранним концепциям канцерогенеза. Гипотеза о раковых стволовых клетках была предложена в качестве механизма, способствующего гетерогенности опухоли.

Клональная эволюция

В то время как генетические и эпигенетические изменения в генах-супрессорах опухолей и онкогенах изменяют поведение клеток, эти изменения в конечном итоге приводят к раку, воздействуя на популяцию неопластических клеток и их микроокружение. Таким образом, процесс канцерогенеза формально представляет собой процесс дарвиновской эволюции, известный как соматическая или клональная эволюция. Более того, учитывая дарвинистские механизмы канцерогенеза, была выдвинута теория о том, что различные формы рака можно классифицировать как ювенильные и геронтологические. В настоящее время проводятся антропологические исследования рака как естественного эволюционного процесса, посредством которого естественный отбор уничтожает экологически неблагополучные фенотипы, поддерживая другие. Согласно этой теории, рак проявляется в двух отдельных типах: от рождения до окончания периода полового созревания (примерно до 20 лет) – с телеологической направленностью на поддержание групповой динамики, и от середины жизни до смерти (примерно с 40 лет) – с телеологической направленностью на избежание перенаселенной групповой динамики.