Лекция 19. Нестабильность генома. Обратная транскрипция.

Молекулярные основы канцерогенеза

Признаки трансформированной клетки

1. Неконтролируемое деление.

Искажен клеточный цикл. Продолжителен S-период. Стадия G2 сведена к минимуму.  Клетка вступает в митоз неготовой.

Последствия: нарушения при расхождении хромосом.

Высокая потребность в энергии. При этом в элокачественных клетках гликолиз (идущий без кислорода) превалирует над окислительным фосфорилированием.

2. Клетки перестают узнавать друг друга.

Происходит утрата контактного торможения. Это связано с изменением мембранных белков - белков-рецепторов и пр.

Нарушается адгезия (прилипание к поверхности).

3. Раковые клетки дедифференцированы.

Теории рака

До 70-х годов существовало три теории рака:

1. Канцерогенная теория.

Известны професиональные раковые заболевания: рак кожи у трубочистов, рак губы у кровельщиков и пр.

Бензпирен - первый описанный канцероген.

Определение: канцерогены - это вещества, повышающие частоту возникновения рака.

Но в экспериментах с канцерогенами не все животные заболевали.

2. Генетическая теория.

Появилась в 30-х годах. У лабораторных мышей известны высоко- и низкораковые лабораторные линии 

3. Вирусная теория.

В молоке мышей был найден "фактор молока" (вирус Битнера).

Объединение всех этих теорий произошло в 50-х годах. Отечественный ученый Лев Зильбер высказал гипотезу, что причиной рака может быть вирус, который становится геном.

Обратная транскрипция

Определение: обратная транскрипция - это синтез ДНК по матрице РНК.

Обратную транскрипцию обнаружили в 1970 г. Темин, Балтимор, Дульбеко, работавшие с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Этот вирус вызывает саркому у кур. Это онкорнавирус (oncoRNA) - относится к ретровирусам.

Определение: ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.

Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам.

В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5'-конце имеется Сap, на 3'-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой.

Геном ретровируса содержит 4 гена:

gag - белок нуклеоида,

pol - обратная транскриптаза,

env - белок капсида (оболочки),

onc - онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию клетки.

str5 = str3 - (short terminal repeat) короткий концевой повтор;

U5, U3 - уникальные последовательности (U5 - 80 н., U3 - 200 н.);

PB (primer binding site) - участок связывания затравки.

На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК. Синтезируется небольшой кусок ДНК.

Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК.

Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная.

Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам.

Для экспрессии вирусных генов нужен толчок: канцерогены, изменения метаболизма в клетке хозяина, стресс.

Большинство изученных вирусных онкогенов кодируют протеинкиназу, фермент, который фосфорилирует белки. Как правило - это тирозиновая протеинкиназа. В клетке есть собственные протеинкиназы, в том числе и тирозиновая, но гораздо более активны сериновая и треониновая. Гены, кодирующие клеточные протеинкиназы, обозначают onc_c, вирусные - onc_v. Onc_c - клеточные гены, работающие в дифференцированных клетках. Onc_c имеют интроны, onc_v - не имеют. Onc_v либо добавляет тирозиновую протеинкиназу - и сказывается дозовый эффект гена тирозиновой протеинкиназы, либо, по сравнению с клеткой, не имеющей onc_v, клетка, его имеющая, фосфорилирует тирозин, а не серин или треонин, как обычно, то есть происходит смена мишени.

В первую очередь это касается белков, присутствующих в клетке в большом количестве. Это белки цитоскелета (нарушение адгезии), мембранные белки (нарушение контактного торможения), гистоны (нарушение регуляции, компактизации, облегчение репликации ДНК).

Ретровирусы скорее всего возникли в результате внедрения мобильных элементов в непосредственной близости от onc_c генов. В дальнейшем onc_c превратился в onc_v, а клеточная полимераза - в обратную транскриптазу. Вирус начал самостоятельную жизнь. Стадия провируса говорит о его клеточном происхождении.

В медицине рак - это злокачественная опухоль только эпителиальных тканей.

Метастазы - возникающие опухоли в районе удаления от исходной опухоли.

Рак - болезнь генома.

Одним из путей активации onc_c является такая перестройка генома, в результате которой рядом с онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию.

Другой путь - структурная мутация в протоонкогене, т.е. нормальном клеточном гене, способном превратиться в онкоген.

Существуют антионкогены, или гены-супрессоры опухолей, подавление активности которых приводит к развитию опухолей.

Природа белковых продуктов онкогенов и антионкогенов чрезвычайно разнообразна. К онкогенам относят некоторые гены белков - факторов роста, а также гены рецепторов факторов роста. Перепроизводство факторов роста или нарушение структуры их рецепторов может привести к более частому делению клеток. Изменения в генах, кодирующих белки - передатчики сигналов от рецепторов к ядру клетки, в основном, протеинкиназы различной специфичности, а также изменения экспрессии генов, ответственных за белковые факторы транскрипции, могут превратить нормальную клетку в раковую.

Подавление активности генов, ответственных за рост и размножение клеток, осуществляется белковыми продуктами генов - супрессоров опухолей. Так, ключевая роль в разрешении на переход из одной фазы клеточного цикла в другую принадлежит белкам - циклинам. Только находясь в комплексе с циклинами, циклинзависимые протеинкиназы способны фосфорилировать белки мишени, необходимые для перехода в следующую фазу клеточного цикла.

Специальные белки сканируют ДНК перед репликацией на предмет выявления нерепарированных повреждений. Если ДНК не проходит тест, то включаются системы реализации "запрограммированной смерти" - апоптоза, в результате чего разрушаются жизненно важные структуры клетки, в том числе хромосомы и цитоскелет. Апоптоз определяется большим числом генов, центральное место среди которых занимает ген, кодирующий белок с молекулярным весом 53 кДа, - ген p53. Этот ген поврежден в 50% всех опухолей человека. Когда он выведен из строя, клетки с поврежденной (мутантной) ДНК перестают выбраковываться и в них происходит накопление новых мутаций, которые могут затрагивать как протоонкогены, так и гены-супрессоры опухолей.

Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации возникают случайно - и вероятность накопления в клетке нужного для злокачественного превращения набора измененных генов увеличивается с годами. Посчитано, что в среднем в клетке человека должно накопиться 10 независимых мутаций, касающихся онкогенов и генов - супрессоров опухолей.