В большинстве развитых стран мира отмечается тенденция к неуклонному росту заболеваемости злокачественными новообразованиями и смертности от них. Мысль о том, что раковые опухоли могут быть вызваны вирусами, впервые высказали Боск и Боррель в 1903 г. Идея о возможной роли вирусов в возникновении рака была поддержана И.И. Мечниковым. Вирусы, вызывающие рак у млекопитающих, были впервые открыты только в 1932 - 1933 гг. исследователем Ричардом Шоупом. Он описал фиброму и папиллому кроликов. Следующим этапом в развитии вирусной теории происхождения опухолей было открытие Биттнера в 1936 г. - вируса рака молочных желез мышей. Советский ученый Л.А. Зильбер, 1945 г. выдвинул другое представление об опухолевых вирусах, которое к 1960 - 1961 гг. сложилось в вирусогенетическую теорию, которая в настоящее время является общепризнанной и экспериментально доказанной. Основные положения вирусно-генетической концепции возникновения злокачественных новообразований Л.А. Зильбера заключены в следующем:
1) Опухоли вызываются вирусами;
2) Опухолевая трансформация клеток возникает в результате включения (интеграции) вирусной ДНК в геном клеток макроорганизма;
3) Вследствие такой интеграции клетки приобретают новые свойства, а именно, способность к бесконтрольному и неограниченному делению.
Важнейшим научным достижением В.А. Зильбера явилось то, что ему удалось выявить существование особой группы интеграционных или онкогенных вирусов, которые, в отличие от инфекционных вирусов, вызывают не гибель пораженной клетки, а изменение ее свойств на генетическом уровне.
Следует подчеркнуть, что отличием инфекционных вирусов от онкогенных является наличие у них сходства в строении и составе части генов вирусной ДНК (вирусные онкогены) с определенными участками ДНК клеток человека в которых эти вирусы обитают (протоонкогены). Это продемонстврировано на основе методов генетического анализа - молекулярной гибридизации, которая позволила не только обнаружить вирусную ДНК в геноме опухолевых клеток, но и расшифровать ее структуру.
В настоящее время изучен молекулярный механизм вирусного канцерогенеза - процесс трансформации в опухолевой клетке за счет онкогенов. Онкогены - это гены, обуславливающие неконтролируемый опухолевый рост клеток и, представляющие собой либо интегрированные гены онкогенных вирусов, либо активированные вследствие мутаций или по другим причинам клеточных протоонкогенов. Протоонкогены - это нормальные клеточные гены, отвечающие за рост, деление и дифференцировку клеток. Соответственно различают вирусные (v-onc) и клеточные (c-onc) онкогены. В настоящее время установлено, что опухоли могут вызываться как ДНК-вирусами, так и РНК-вирусами, причем механизм их действия различен. И в том, и другом случае опухолевая трансформация клеток есть результат включения (интеграции) вирусной ДНК (или ДНК-копий в случае РНК-вирусов) в геном клеток хозяина. Однако, в случае ДНК-содержащих онковирусов (вирусы группы Папововирусы, аденовирусы, герпес вирусы и т.д.) в геном клеток включаются вирусоспецифичные онкогены (что, собственно, и вызывает опухолевую трансформацию клеток). Онкогены РНК- содержащих вирусов не являются вирусоспецифическими генами и ведут свое происхождение от ядерной ДНК клеток-хозяев, а именно: от клеточных протоонкогенов. Считается, что онкогены РНК-вирусов происходят из протоонкогенов, которые на определенном этапе эволюции были захвачены вирусом из генома позвоночных во время инфекционного цикла.
Включение в геном клетки онкогенов опухолеродных вирусов может вызывать:
1. Активацию протоонкогенов за счет их амплификации (увеличение копий)
2. Угнетение апоптоза
3. Синтез вирусных белков, обладающих регулирующими функциями
4. Хромосомные мутации
5. Изменение структуры и уровня активности близлежащих генов клетки-хозяина
Следует подчеркнуть, что вирусно-генетическая концепция подтверждена в большей степени экспериментально, чем клинически.
К настоящему времени известно несколько вирусов, которые ответственны за возникновение около 15,0 % всех опухолей человека. К их числу следует отнести вирусы папиллом, которые являются этиологическим фактором развития опухолей шейки матки и содержат собственные трансформирующие гены, вирус гепатита В, ассоциированный с опухолями печени, и некоторые другие. В тоже время, экспериментальная и клиническая онкология, эпидемиология злокачественных новообразований накопили значительное количество фактов, свидетельствует о том, что не только вирусы, но и другие микроорганизмы могут иметь определенное значение в этиологии и патогенезе злокачественных новообразований.
Опухолевые вирусы не отличаются от вирусов, вызывающих инфекционные заболевания, по другим своим свойствам, и их циркуляция в природе подчиняется закономерностям, установленным для инфекционных агентов. Воздействие опухолеродных вирусов на клетки сопровождается изменениями наследственных свойств клеток. Опухолевая конверсия клеток вызывается не вирусом, а его нуклеиновой кислотой. Вирус является только носителем того фактора, который вызывает опухолевую конверсию. Новая генетическая информация, приносимая нуклеиновой кислотой вируса в клетку, инкорпорируется частично или полностью в геном клетки. Наследственные изменения, обусловленные этим процессом, нарушают взаимоотношения между клетками и регулирующими клеточное размножение системами организма, вследствие чего клетки выходят из соподчинения этим последним и возникает нерегулируемое размножение клеток, приводящее к образованию опухоли. Вирус, вызывающий опухолевую конверсию, не принимает участия в размножении уже образовавшихся опухолевых клеток. Опухолевые клетки или совсем не продуцируют зрелого вируса или образуют его неполные (незрелые) формы. В тех же случаях, когда опухолевые клетки продуцируют зрелый вирус, он является «пассажиром» и не оказывает влияния на рост опухоли.
Имеющиеся данные позволяют предположить наличие непрямого канцерогенеза. В начале 60-х годов среди онкогенных вирусов были известны и ДНК- и РНК-содержащие вирусы. Был получен экспериментальный материал, подтверждающий интеграцию генома ДНК-содержащих вирусов в геном клетки. При анализе интеграции генома онкорнавирусов (Oncornavirus, РНКовый вирус) в клеточный геном основной вопрос заключался в том, каким образом может происходить интеграция РНК этих вирусов в состав клеточной ДНК. Естественно, что с химической точки зрения такой процесс маловероятен. Поэтому Г. Темин (1964 г.), основываясь на собственных экспериментальных данных, предположил, что онкорнавирусы в процессе своей репродукции синтезируют собственную вирусную ДНК. Эту форму ДНК Г. Темин назвал провирусом. Провирусная гипотеза Г. Темина появилась в 1964 г., когда полностью подтвердилось центральное положение молекулярной биологии о том, что передача генетической информации идет по схеме ДНК→иРНК→белок. Гипотеза Г. Темина вводила в эту схему принципиально новый этап РНК→ДНК и таким образом объясняла интеграцию вирусного и клеточного геномов. Оказалось, что в природе существует и другой механизм передачи генетической информации: РНК→ДНК→иРНК→белок. Этот процесс обусловлен наличием фермента обратной транскриптазы (РНК-зависимой ДНК-полимеразы). Шесть лет понадобилось Г. Темину для обнаружения фермента, осуществляющего перенос информации с РНК к ДНК, который получил название обратной транскриптазы. Г. Темину удалось не только получить фрагменты ДНК, комплементарные заданной цепи РНК, но и доказать, что ДНК-копии могут встраиваться в ДНК клеток и передаваться потомству. Независимо от него Д. Балтимор (1970 г.) обнаружил такой же фермент. За это открытие Г. Темин и Д. Балтимор были удостоены Нобелевской премии. Онкогены как специфический генетический материал, кодирующий информацию об определенном белковом продукте, впервые были идентифицированы в составе ретровирусов. Механизм трансформирующего действия онкогенных вирусов. Современные представления Изучение молекулярных механизмов регуляторных процессов в клетках, трансформированных или инфицированных онкогенными вирусами, является одним из важных направлений современной биологии. Инфекционное и неопластическое действие вирусов на клетки принципиально различно. В первом случае нуклеиновая кислота вируса индуцирует острый процесс, разрушение клеток, во втором – она интегрируется с клеточным геномом и становится неотличимой от собственных клеточных генов, реплицируясь и функционируя вместе с ними. В результате этих процессов нормальная клетка превращается в опухолевую, которая утрачивает присущий ей контроль за собственной пролиферацией. Встраивание в клеточную ДНК есть необходимое, но недостаточное свойство онкогенных вирусов. Они вносят в клетку некую информацию, превращающую клетку в опухолевую. Именно вирусы впервые позволили идентифицировать, что же трансформирует клетку из нормальной в опухолевую. Опухолевые вирусы вызывают опухоли не сами по себе, а внося в генетический аппарат клетки онкоген и закрепляют его в геноме клетки. Если онкоген удалить из генетического аппарата вируса, то вирус, не лишаясь способности размножаться и интегрировать с геномом клетки, утратит способность трансформировать клетки. Во всех нормальных клетках есть гены, очень близкие по структуре к вирусным онкогенам - они были названы протоонкогенами. Эти гены регулируют нормальное поведение клетки - ее ответы на ростовые факторы, на гормоны, нормальный темп и «расписание» ее делений. Они могут усиливать или уменьшать продукцию клеткой веществ, связанных с ее ростом и дифференцировкой, и соответственно вызывать безудержный рост и диссеминацию таких клеток, что характерно для злокачественных опухолей. Основные причины превращения протоонкогена в онкоген следующие:
а) точечные мутации в протоонкогене под действием физических и химических мутагенов.
б) амплификация протоонкогена, в результате которой количество копий его возрастает, как и количество синтезируемого белка.
в) попадение протоонкогена под контроль сильного промотора либо в результате интеграции вируса, либо вследствие транслокации блока генов в хромосоме с помощью транспозонов.
г) прямое трансформирующее действие онкогенного вируса, связанное с внесением в клетку онкогена.
Опыты по молекулярной гибридизации показали, что все без исключения вирусные онкогены имеют свои прототипы – протоонкогены (клеточные онкогены) в геноме различных клеток. По мере накопления экспериментального материала появилась возможность обоснованной систематизации онкогенов. В соответствии с этим выделяют следующие группы протоонкогенов:
1. протоонкогены, кодирующие протеинкиназы
2. ядерные протоонкогены
3. протоонкогены, кодирующие факторы роста
4. вставочные (инсерционные) протоонкогены
5. протоонкогены транслокации.
Таким образом, злокачественность клеток зависит от мутации протоонкогенов и от изменений во влиянии на работу генов со стороны генетической среды в целом, характерной для нормальной клетки. Такова современная генная теория рака.
В последние годы найдено еще одно наиболее общее звено канцерогенеза – гены-супрессоры опухолей (антионкогены), подавляющие активность онкогенов.