Основные свойства неопластической клетки и базовые механизмы их возникновения
Копнин Б.П.
Российский онкологический научный центр им.Н.Н.Блохина РАМН, Москва
Механизмы возникновения характерных свойств неопластической клетки
Приобретение совокупности перечисленных свойств связано с нарушениями в сигнальных путях, контролирующих реакцию клетки на экзогенные и эндогенные регулирующие факторы. Ключевую роль в их возникновении играют изменения регуляции клеточного цикла, апоптоза, миграции и некоторых других базовых процессов жизнедеятельности клетки.
Нарушения регуляции клеточного цикла
Нарушения регуляции клеточного цикла лежат в основе таких важнейших свойств неопластической клетки как самодостаточность в пролиферативных сигналах (пониженная потребность во внешних сигналах для инициации и поддержания пролиферации) и нечувствительность к рост-супрессирующим сигналам. Кроме того, они в значительной степени определяют генетическую нестабильность и нарушения дифференцировки клетки.
В процессе подготовки клетки к делению и образования из нее двух новых клеток наблюдается несколько фаз - G1 фаза, в которой идет подготовка к синтезу ДНК; S фаза - период репликации ДНК; G2 фаза, в которой идет подготовка к митозу, и, наконец, собственно митоз - процесс разделения клетки на две новые. Образовавшиеся дочерние клетки могут сразу войти в новый митотический цикл или временно выйти из него в G0 фазу - стадию покоя. "Мотором" клеточного цикла является активация последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ (Рис. 4). Каждая из циклинзависимых киназ представляет собой холоферментный комплекс, состоящий из собственно каталитической субъединицы (Cdk) и регуляторной субъединицы - циклина. Связывание с циклином увеличивает киназную активность Cdk и, кроме того, определяет их локализацию и субстратную специфичность. Уровень экспрессии каждого из циклинов и, в меньшей степени, Cdk, направленно изменяется в определенные фазы клеточного цикла. Так, выход клетки из стадии покоя и вход в фазу G1 определяется образованием комплексов циклинов D (D1-D3) с Сdk4 или Cdk6 (в зависимости от типа клеток). Переход из G1 в S связан с образованием комплексов циклина E с Сdk2, и т.д. Вход в митоз, например, обусловлен образованием комплексов Сdk1 (другое и более распространенное название - Cdc2) с циклином В
Рис.4. Общие принципы регуляции клеточного цикла в нормальной клетке. Вход в цикл и продвижение по нему определяется последовательной активацией различных циклинзависимых киназ (Cdk). Повышение их активности инициируется сигналами от рецепторов ростовых факторов и интегринов (рецепторов белков внеклеточного матрикса), вызывающими сложный каскад событий, приводящий к активация группы МАР-киназ - ключевых регуляторов Cdk. Центральную роль в негативной регуляции размножения клеток клеток играют ингибиторы циклин-зависимых киназ (CKI) - белки семейств Ink4 и Cip/Kip. Для опухолевых клеток характерны изменения, ведущие к перманентной стимуляции активности циклинзависимых киназ и подавлению функции их ингибиторов.
Кроме связывания с циклинами, активность Сdk регулируется изменениями фосфорилирования их определенных аминокислотных остатков (за такую регуляцию ответственны фосфатазы Cdc25 и протеинкиназы CAK, Wee1) и связыванием с так называемыми CKI - ингибиторами Cdk. CKI - группа белков, состоящая из двух семейств. Представители семейства Cip/Kip (p21WAF1/CIP1, p27KIP1 и p57KIP2) ингибируют различные комплексы Cdk2, ответственные за вход и продвижение по S фазе. В меньшей степени они подавляют активность комплексов циклин B/Cdc2, ответственных за вход в митоз. С другой стороны, они не ингибируют, а даже активируют комплексы циклин D/Cdk4(6), оперирующие в ранней G1 фазе. Члены семейства Ink4 (p16INK4a, p15INK4b, p18INK4c, p19INK4d) непосредственно взаимодействуют с Cdk4(6). При этом, связывая Cdk4(6), находящиеся в составе активных комплексов с циклином D и белками Cip/Kip, они вытесняют белки Cip/Kip, направляя их на связывание с Cdk2. Поэтому повышение активности белков Ink4, в частности опухолевого супрессора p16Ink4a, вызывает как прямое ингибирование активности комплексов циклин D/Cdk4(6), так и непрямое блокирование комплексов циклин E/Cdk2 и циклин А/Cdk2.
Выход покоящейся клетки из фазы G0 и вступление ее в митотический цикл инициируется различными внешними стимулами, в первую очередь различными секретируемыми цитокинами, принадлежащими к группе факторов роста. Кроме этого, для деления большинства типов нормальных клеток необходимо также и взамодействие специфических рецепторов клетки - интегринов - с определенными белками внеклеточного матрикса (фибронектином, коллагеном и др.). Связывание рецепторов со своими лигандами - ростовыми факторами и белками внеклеточного матрикса - индуцирует аутофосфорилирование внутриклеточных доменов рецепторов и дальнейшее их взаимодействие со многими сигнальными белками. Следствием этого является стимуляция пересекающихся сигнальных путей и активация так называемых МАР (Mitogen Activated Protein) киназных каскадов. Конечные продукты этих каскадов - серин-треониновые киназы ERK1/2, JNK и р38 - транслоцируются из цитоплазмы в ядро, где они фосфорилируют множество субстратов, что, в конце концов, и приводит к активации циклинзависимых киназ, иницирующих вход в S фазу.
Действие большинства рост-ингибирующих факторов (цитокинов типа TGF-b, контактного торможения при установлении межклеточных контактов, повреждений ДНК и других внутриклеточных нарушений) основано на активации ингибиторов циклинзависимых киназ (CKI) семейств Ink4 и Cip/Kip, что приводит к остановке клеточного цикла в так называемых чекпойнтах (checkpoints, сверочных точках). В зависимости от типа рост-ингибирующего воздействия и молекул, вовлеченных в его распознавание, наблюдается остановка клеточного цикла в G1, S, G2 фазах или в митозе. При этом, задержка в G2 связана как с активацией CKI семейства Cip/Kip, так и с повышением активности ряда других молекул, ингибирующих функцию комплексов циклин В/Cdc2, а остановка в митозе - с изменениями активности молекул, контролирующих конденсацию хромосом и разделение сестринских хроматид (Рис. 5).
Рис.5. Активация чекпойнтов клеточного цикла (обозначены черными прямоугольниками) при различных рост-ингибирующих воздействиях.
Для опухолевых клеток характерны генетические изменения, вызывающие, с одной стороны, перманентную стимуляцию сигнальных путей, активирующих Сdk4(6) и Cdk2, а с другой стороны - нарушения в путях передачи сигналов, опосредующих активацию чекпойнтов в ответ на рост-ингибирующие сигналы. Первый тип изменений возникает в основном в результате активирующих мутаций так называемых протоонкогенов - нормальных компонентов путей передачи различных митогенных сигналов (см. раздел II.2) и приводит к самодостаточности в пролиферативных сигналах, т.е. способности неопластической клетки постоянно генерировать внутри себя сигналы к размножению, в норме исходящие от внешних стимулов. Инактивация чекпойнтов, обеспечивающая нечувствительность к рост-ингибирующим сигналам и генетическую нестабильность, чаще всего обусловлена дисфункцией т.н. опухолевых супрессоров, к которым относятся и некоторые из CKI.
С изменениями регуляции клеточного цикла связаны и нарушения дифференцировки неопластических клеток. Реализация большинства дифференцировочных программ требует выхода клетки из митотического цикла в стадию покоя (G0). Перманентная стимуляция размножения клеток и нечувствительность к действию рост-ингибирующих цитокинов, являющихся одновременно индукторами дифференцировки (таких как TGF-b) нередко приводят к блокированию или извращению процессов дифференцировки.