• Рак представляет собой многоступенчатое заболевание, и для формирования опухоли необходимо от двух до шести различных мутаций
• Образование опухоли ускоряется за счет клональной экспансии. При этом постоянно появляющиеся клоны аномальных клеток перерастают клоны, содержащие меньше мутантных клеток
Рак является сложным многоступенчатым заболеванием, и часто проходят десятки лет, прежде чем он достигает завершающей стадии. Ткань при раке может содержать полностью здоровые клетки, опухолевые клетки (с соответствующими клиническими признаками) и области клеток, занимающих промежуточное положение. Например, при раке ободочной кишки можно различить область здорового кишечного эпителия, выстилающего ее внутреннюю поверхность, далее следует область умеренной гиперплазии (содержащая избыточное количество клеток), затем область дисплазии (состоящая из измененных эпителиальных клеток, включая незрелые полипы) и, наконец, участки, состоящие из крупных полипов (локализованных неинвазивных новообразований, которые часто вырастают в просвет кишки).
Также можно видеть настоящую карциному, инвазирующую мышечный слой кишки; опухоли, проросшие этот слой и образующие колонии (метастазы) в местах, отдаленных от основного очага, например в печени.
Если состояние клеток кишечного эпителия, находящихся на разных стадиях опухолевого процесса, сравнить с характером мутаций, то оказывается, что развитие опухоли обусловлено мутациями по четырем различным генетическим локусам. Чем более поздней была стадия развития опухоли (т. е. чем более злокачественным характером она обладала), тем больше было количество мутантных вариантов этих четырех генов, которые обнаруживались в составе генома. Рисунок ниже иллюстрирует корреляцию между развитием опухоли и характером мутаций. Эти данные имеют лишь коррелятивный характер, однако позволяют предполагать, что с каждой мутацией клетка приближается к полностью злокачественному состоянию.
Некоторые дополнительные данные также позволяют предполагать, что развитие опухоли представляет собой многоступенчатый процесс. Во-первых, частоту развития опухолей среди взрослого населения можно предсказать с помощью математической функции, величина которой зависит от возраста в четвертой-шестой степени. Существование такой функции говорит о том, что в своем развитии опухоль проходит через ряд лимитирующих этапов, наступление каждого из которых в единицу времени происходит с относительно небольшой вероятностью и, для того чтобы опухоль появилась, должны пройти все этапы. Говоря более конкретным языком, рак может представлять собой конечный результат действия от четырех до шести мутаций, каждая из которых происходит в клеточной популяции с относительно небольшой вероятностью, и прежде чем клетка приобретет злокачественный фенотип, должны произойти все мутации. Рисунок ниже иллюстрирует зависимость частоты заболеваемости раком от возраста.
При развитии колоректальных раков малигнизация инициируется мутациями в АРС гене,
а различные стадии развития опухоли связаны с возникновением дополнительных мутаций.
Во-вторых, в отличие от культур иммортализованных клеток, здоровые клетки нельзя трансформировать в опухолевые с помощью одного-единственного онкогена. Например, для трансформации здоровых клеток грызунов необходимо использовать, по крайней мере, два разных онкогена. Для того, чтобы вызвать трансформацию, два одновременно введенных в клетку онкогена, например ras и myc или ras и E1А, должны взаимодействовать друг с другом. Эти онкогены, введенные поодиночке, не приводят к трансформации.
Таким образом, для трансформации совершенно здоровой клетки необходимо, чтобы произошло по меньшей мере два, а вероятно, и больше генетических изменений. На рисунке ниже показана такого рода кооперация между онкогенами. Для трансформации клеток человека необходимо даже большее количество (по некоторым подсчетам до пяти) мутантных генов.
Третья группа данных в пользу многоэтапного характера развития опухоли была получена в экспериментах на трансгенных мышах. В зародышевых клетках этих мышей содержится трансген, кодирующий ras или myc онкоген. Экспрессия этих генов находится под контролем промотора, который активен в эпителиальных клетках молочной железы. Как й следовало ожидать, у трансгенных мышей отмечалась повышенная частота развития рака молочной железы. Однако, хотя даже практически во всех клетках эпителия молочной железы с самого раннего периода жизни сильно экспрессировались гены ras или myc, карцинома молочной железы развивалась у них лишь через три-четыре месяца после рождения. Очевидно, что наряду с трансгенным онкогеном, активным в этих клетках, по меньшей мере одна, а, вероятно, две соматические мутации необходимы для того, чтобы эпителиальные клетки молочной железы начали разрастаться в массу опухоли.
Предполагается, что эти соматические мутации влияют на специфические протоонкогены-мишени или на гены-супрессоры опухоли в геноме клеток. Существенно, что при спаривании мышей, одновременно экспрессирующих трансгенные ras и туе онкогены, опухоль в эпителиальных клетках молочной железы образовывалась быстрее, и это сопровождалось сокращением лаг-периода ее появления. Однако даже при экспрессии у трансгенных животных двух этих онкогенов опухоль образовывалась после лаг-периода. Это говорит о том, что для ее появления необходимо еще одно событие, вероятно, случайная соматическая мутация.
Эти различные по характеру данные можно связать в единую, достаточно простую и последовательную схему, в которой развитие опухоли (часто обозначаемое термином прогрессия) рассматривается как процесс, напоминающий дарвиновскую эволюцию. Клетка несет мутацию в одном из генов, регулирующих рост, и эта мутация позволяет ей и ее потомкам пролиферировать более быстро по сравнению с соседними клетками. Со временем такие клетки образуют в популяции клон, могущий насчитывать много миллионов клеток, который занимает в ткани небольшой участок Затем в одной из клеток клона происходит еще одна соматическая мутация.
Эта мутация обеспечивает более быстрый рост или более эффективное выживание такой клетки. Вскоре двойные мутанты начинают обгонять соседние клетки и со временем заселяют еще больший участок ткани.
Каждый мутационный цикл сопровождается клональной экспансией, иногда называемой клональной преемственностью, и приводит к появлению популяции более злокачественных и более приспособленных к пролиферации клеток Постоянное увеличение различных аномалий индивидуальных клеток прогрессивно отражается в более аберрантной архитектуре ткани, которая ими создается. Как и в эволюционном процессе, в результате случайных мутаций возникает генетически гетерогенная популяция, и отдельные редкие клетки, которые несут мутацию, способствующую росту, становятся родоначальниками доминирующей популяции.
Может показаться, что представления о многоэтапности опухолевого процесса не согласуются с известной способностью онкогенных вирусов запускать трансформацию клеток с помощью лишь одного вирусного онкогена. Строго говоря, оба представления согласовать трудно. Многообразие вариантов клеточного фенотипа, который изменяется при многоэтапном росте опухоли, сильно превышает количество генов (у человека, вероятно, полдюжины), в которых должна произойти мутация, с тем чтобы образовалась опухолевая клетка. Поэтому, чтобы вызвать в клетке многочисленные изменения, каждый из этих мутировавших генов действует плейотропно. Пока еще ни один из этих генов не может действовать таким образом, чтобы он мог индуцировать полную трансформацию клетки.
Хотя изучение процесса трансформации фибробластов с помощью RSV позволило открыть существование протоонкогенов, полученные данные дали возможность предположить, что трансформация представляет собой простое одноэтапное событие, и тем самым направили проблему по неправильному пути. Приведенные аргументы не согласуются с моделью, согласно представлениям которой рак может быть вызван единственным простым изменением в геноме чувствительной клетки-мишени.
Одним из показателей многоступенчатости опухолевого процесса служит определенный возраст,
характерный для развития заболевания.
Данные любезно предоставлены Национальным институтом исследования рака.
На левом рисунке видно, что у трансгенных мышей, экспрессирующих ras или гиперактивный myc,
со временем развивается меньше опухолей, чем у животных, экспрессирующих оба гена.
Правый рисунок иллюстрирует, что котрансфекция эмбриональных фибробластов крысы онкогенами ras и myc вызывает их трансформацию;
трансфекция любого одного из двух онкогенов оказывается неэффективной.
Поскольку клетки, несущие мутации, обеспечивающие неконтролируемый рост,
делятся чаще, чем клетки дикого типа, постольку происходит клональная селекция.
Любая клетка с дополнительными мутациями, способствующими росту, образует новую популяцию, которая подавляет остальные.
