3. Длительные сигналы к росту (онкогены*)

Ни одна клетка не может жить изолированно. Каждая клетка — часть сообщества, которое формирует ткань или орган. Клеточное поведение почти всегда зависит от ростовых сигналов (митогенных) из окружающей среды, которые инициируют клеточное деление. Эти внешние факторы роста (или лиганды) связываются с мембрана-ассоциированными гликопротеиновыми рецепторами, которые передают сообщение через серию внутриклеточных сигналов, способствующих или ингибирующих экспрессию специфичных генов (РИС. 3.1). Примеры ростовых сигналов включают диффундирующие факторы роста, протеины внеклеточного матрикса и межклеточные адгезивные/ взаимодействующие молекулы. Если эти ростовые сигналы отсутствуют, то любая типичная нормальная клетка будет перемещаться в состояние покоя вместо активного деления. Эта зависимость от экзогенных факторов роста — критический гомеостатический механизм для контроля за клеточным поведением в пределах ткани.

 

[members_only]

enindex10

*Что такое онкогены? Онкоген представляет ген, который кодирует протеин, способный трансформировать клетки в культуре или индуцировать рак у животных. Эти онкогены — производные генов нормальных клеток, названных протоонкогенами. Протоонкогены кодируют протеины, которые стимулируют деление клеток, но мутантные формы, названные онкогенами, делают стимулирующие протеины сверхактивными, в итоге приводя к чрезмерной пролиферации клеток. Онкогены доминируют над протоонкогенами.

Раковые клетки, с другой стороны, генерируют мутантные протеины (онкогенные протеины), которые имитируют эти нормальные ростовые сигналы (прото-онкогенные протеины). Трансформация протоонкогенов в онкогены вызвана несколькими факторами, такими как мутации, хромосомные перестройки, вирусные инсерции, амплификации генов и т.д. Последствие онкогенной трансформации в том, что опухолевые клетки становятся независимыми от внешнего сигналинга факторами роста в любой нормальной тканевой микросреде. Эта приобретенная опухолевыми клетками черта может быть продемонстрирована эмпирически in vitro.

Нормальные клетки (например, фибробластные клетки кожи), которые культивируются в чашке Петри in vitro, не будут делиться и пролиферировать в отсутствии факторов роста, найденных в сыворотке. Опухолевые клетки с другой стороны могут активно пролиферировать без зависимости от этих факторов роста. Эта автономия от сигналинга факторами роста приводит к нерегулируемому росту (такой как в отсутствии идеальных состояний для клеточного деления или при стрессе) и увеличивает возможности приобретения дальнейших мутаций в клеточном геноме.

enindex11

Рис. 3.1. Компоненты типичного сигнального каскада факторов роста. Факторы роста — гормоны и клетка-фиксированные сигналы, которые стимулируют клеточную пролиферацию. Рецепторы являются мембраносвязанными протеинами, которые принимают сигналы. Сигнальные трансдукторы — молекулы (протеины и другие), которые передают сигнал от рецептора к другим внутриклеточным молекулам, вовлеченным в клеточную пролиферацию. Транскрипторный фактор — протеины, которые связываются с ДНК и инициируют экспрессию протеинов, вовлеченных в клеточную пролиферацию.

enindex12

Рис. 3.2: Альтерации ростовых сигналов. Тромбоцит-продуцируемый фактор роста — протеин, необходимый клеткам для стимулирования клеточного деления. В нормальных условиях PDGF связывается с внеклеточным доменом своего рецептора и стимулирует внутриклеточные пролиферативные пути. Определенные раковые образования развиваются вследствие гиперпродукции PDGF протеинов или когда клетки инфицируются определенными вирусами, повышенно продуцирующими PDGF-подобный онкопротеин, который также связывается с PDGF рецептором.

enindex13

Рис. 3.3: Альтерации рецепторов. Мутации в рецепторе эпидермального фактора роста (EGFR) ведут к длительной и лиганд-независимой стимуляции рост-стимулирующих внутриклеточных путей. Это вовлечено в инициирование и прогрессию определенных типов рака молочной железы.

Существуют три главных клеточных стратегии, используемые раковыми клетками для достижения рост-факторной автономии, базируемой на сигнальном пути факторов роста, как показано на рисунке 3.1.

  1. a)       Изменения во внеклеточных ростовых сигналах
  2. b)       Изменения в трансклеточных медиаторах этих сигналов (рецепторы)
  3. c)       Изменения во внутриклеточных сигнальных посредниках (мессенджерах), которые стимулируют пролиферацию.
  4. a)       Изменения во внеклеточных ростовых сигналах. Большинство растворимых митогенных факторов роста (GF) являются гетеротипическими (формируемые одним клеточным типом для стимуляции пролиферации другого), но многие раковые клетки демонстрируют аутокринную стимуляцию (генерируют GF для собственного клеточного типа), таким образом уменьшая зависимость от GF из других клеток в пределах ткани. Многие рецепторы факторов роста, цитоплазматические и ядерные эффекторы были идентифицированы как онкогены. Продукция PDGF (тромбоцит-продуцируемого фактора роста) опухолью головного мозга, названной глиобластомой, — один из примеров этого. Клетки, инфицированные вирусным онкопротеином v-sis, имеют тенденцию высвобождать большое количество PDGF-подобных онкопротеинов (PDGF-β), которые соединяются с PDGF рецепторами этой же клетки. Это вызывает аутокринную сигнальную петлю, в которой клетка генерирует собственный факторо-ростовой сигнал, результирующий в конститутивную стимуляцию роста (РИС. 3.2).
  5. b)       Изменения в трансклеточных сигналах (рецепторах). Рецепторы на клеточной поверхности, которые переносят стимулирующие рост сигналы внутрь клеток, является самостоятельными мишениями дерегуляции во время опухолевого патогенеза. Мутации или изменения в количестве или типах рецепторов, экспрессируемых клеткой, могут трансформировать ее в раковую клетку. Самая распространенная группа рецепторов, вовлеченных в несколько раковых образований, принадлежит тирозинкиназной семье. Они включают EGF, FGF, IGF, PDGF рецепторы (эпидермальный фактор роста, фибробластный фактор роста, инсулиновый фактор роста, тромбоцит-продуцируемый фактор роста). Некоторые примеры этих изменений могут включать
  • Избыточная экспрессия. GF рецептор часто повышенно экспрессируются во многих раковых образованиях и раковые клетки становятся гиперчувствительными к уровням GF, которые в нормальных условиях не инициировали бы клеточное деление. Например, в определенных типах рака молочной железы (карциномы молочной железы), HER2/neu рецептор повышенно экспрессируется, приводя к гиперпролиферации.
  • Лиганд-независимый сигналинг. GF-независимый сигналинг может быть вызван или грубой избыточной экспрессией рецепторов или структурными изменениями в рецепторе. Например, усеченный рецептор эпидермального фактора роста (благодаря делеции в экзонах 2-7 внеклеточного домена) по прежнему посылает рост-стимулирующие сигналы в клетки без какого-либо EGF связывания (РИС. 3.3).
  • Рецепторный свичинг (switching). Раковые клетки могут также менять типы экспрессируемых рецепторов. Например, раковые клетки предпочтительно экспрессируют рецепторы внеклеточного матрикса (интегрины), которые благоприятствуют росту. Интегрины — бифункциональные рецепторы на клеточной поверхности, которые связывают клетки с внеклеточными суперструктурами, известными как внеклеточный матрикс (ВКМ). Сигнальные молекулы в ВКМ позволяют интегриновым рецепторам передать в цитоплазму сигналы, которые меняют клеточное поведение от состояния покоя в нормальной ткани к подвижности, резистентности к апоптозу и вступлению в активный клеточный цикл в раковых клетках.
  1. c)       Изменения во внутриклеточных сигнальных путях,которые стимулируют пролиферацию. Самый распространенный, но сложный механизм канцерной трансформации происходит от изменений в компонентах внутриклеточного, цитоплазматического сигнального каскада, который получает вход от лиганд-активированных рецепторов факторов роста на клеточной мембране. Мутации в протеинах, входящих во внутриклеточный сигнальный каскад (адапторные протеины), найдены в большинстве опухолей человека. Примеры мутаций в каждом компоненте этого внутриклеточного сигнального пути в раковых образованиях человека показаны ниже.

Пример 1 — клеточный цикл-ассоциированная киназа (c-crk): Эти небольшие адапторные протеины (~60 аминокислотных остатков) были впервые идентифицированы как консервативная последовательность в некаталитической части нескольких цитоплазматических тирозинкиназ, таких как Abl и Src, а позже — в нескольких других семьях протеинов, таких как фосфолипазы, PI3 киназа, ras ГТФаза-активирующий протеин, адапторные протеины, CDC24 и CDC25. Эти протеины содержат только SH3 и SH2 домены, из которых SH2 домены связывают фосфорилированные тирозиновые остатки, в то время как SH3 домены связывают богатые пролином последовательности в лигандных протеинах. Главная функция протеинов C-crk заключается в доставке субстратных протеинов к тирозинкиназным рецепторам (TKR). Вирусный онкопротеин, Bcr-Abl, действует как субстрат для c-crk, вызывая продолжительную активацию тирозинкиназных рецепторов и результируя в клеточную пролиферацию (Рис. 3.4). Активация TKR c-crk протеинами включена в некоторые хронические миелогенные лейкозы человека (ХМЛ).

enindex14

Рис. 3.4. Активация тирозинкиназных рецепторов посредством c-crk.

Пример 2 — Ras (rat sarcoma). Ras, возможно, является одним из наиболее хорошо изученных онкопротеинов и представляет компонент SOS-Ras-Raf-MAP киназного митогенного каскада. Приблизительно 25% опухолей человека и 90% всех опухолей поджелудочной железы имеют мутантную форму внутриклеточной сигнальной молекулы Ras (небольшая ГТФ-связанная сигнальная молекула). Ras протеины связаны с ГДФ в неактивном состоянии, но при стимуляции через GEF (гуаниновые нуклеотид-обменивающие факторы) активируются, связываясь с ГТФ (Рис. 3.5). Далее Ras функционирует как ГТФаза, используя GAP (ГТФаза-активирующие протеины), которая гидролизует ГТФ и досягает неактивного состояния.

В опухолях обычно единственная точковая мутация трансформирует нормальный Ras в Ras онкопротеин, в котором утрачена активность ГТФазы, приводя к постоянно активному Ras и раковой клетке, которая не может «выключить» ее пролиферативный статус. Альтернативно, пути Ras активации могут быть разрушены или благодаря онкопротеинам или мутациям в регулирующих путях (как показано во вставке на рис. 3.5).

enindex15

Рис. 3.5. Изменения в Ras сигналинге. Ras является витальным в нескольких сигнальных путях, и действует как бинарный переключатель. Связывание ГДФ (Гуаниновый нуклеотид ДиФосфат) в неактивном состоянии и ГТФ (Гуаниновый нуклеотид ТриФосфат) в его активном состоянии (когда стимулирует GF сигналинг). Неактивный Ras активируется GEF (Гуаниновые нуклеотиды-обменивающий фактор), замещая ГДФ на ГТФ. Этот шаг является недолгим, поскольку Ras имеет внутреннюю  ГТФазную активность, которая означает, что ее ГТФ гидролизируется до ГДФ (фосфатная группа удаляется), таким образом реверсируя обратно в неактивное состояние. Эта ГТФазная активность инициируется GAP (ГТФаза-активирующие протеины). Мутации или онкопротеины, которые блокируют ГТФазную функцию, фиксируют Ras в перманентно активном, сигнальном состоянии.

В течение последних двух десятилетий наблюдались интенсивные изучения сигнальных путей, вовлеченных в клеточный рост и пролиферацию. Новые мишени, расположенные выше и ниже ключевых путей, открываются, исправляются и связываются друг с другом, позволяя внеклеточным сигналам вызывать множественные биологические действия. Один способ смотреть на сложность сигнальных путей, думая о доске электронной схемы, где транзисторы замещены ключевыми регуляторными протеинами, которые действуют как двоичные переключатели (такие как фосфатазы и киназы). Сигналы или изнутри или снаружи клетки передают сообщения роста или состояния покоя, выживания или смерти.

[/members_only]

0

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *