Нарушения в передаче сигнала к делению в раковой клетке: но- вые мишени для уничтожения раковых клеток

Стандартные лекарства против раковых клеток действуют на них через повреждения их ДНК. Но при этом такое же действие их и на здоровые клетки организма пациента. То есть эти лекарства неизбирательные, с тяжелыми побочными эффектами.

Для избежания этого, ученые долго искали новые мишени для лекарств, чтобы уничтожать только раковые клетки. Их нашли в «участниках» передачи сигнала к делению в раковой клетке.

Без сигнала к делению никакая клетка многоклеточного организма делиться, т.е. вступать в клеточный цикл, не может. Каждая функция нормальной клетки любого типа запрограммирована генами для подчинения ее нуждам организма как целого. Такое разделение функций клеток разного типа осуществляется с помощью передачи сигналов между клетками. Сигналом является молекула – лиганд, часто это какой-либо фактор роста: TGF-альфа, эпидермальный фактор роста (EGF) и другие.

Для действия сигнала на клетку необходим рецептор. Рецептор – это молекула белка, интегрированная в цитоплазматическую мембрану клетки. В ней различают три части: внешняя часть – она вне клетки, средняя часть – внутри мембраны клетки и внутренняя часть – она внутри цитоплазмы. Рецептор может связываться только со своей сигнальной молекулой так же, как субстрат взаимодействует со своим ферментом.

В нормальной клетке молекула-лиганд всегда извне. Она выделяется из других клеток и мигрирует к тем клеткам, на поверхности которых имеется рецептор именно к этой молекуле-лиганду. Поэтому нормальная клетка не может быть независимой, т.е. она является частью своей ткани.

Факторы роста в своем действии паракринны, так как секретируются соседними клетками и диффундируют на коротком расстоянии – местное действие.

Раковая клетка возникает из нормальной клетки ткани и при этом утрачивает все контакты: с нормальными клетками своей ткани и с внеклеточным матриксом ткани. Это одна из причин, что превращает раковую клетку в клетку-организм. Нормальная же клетка при утрате таких контактов перестает размножаться и погибает через апоптоз (Ю.А. Ровенский, 2001).

Однако, раковая клетка при утрате таких контактов остается очень жизнеспособной: размножается без конца, ее потомки мигрирует в окружающие ткани и по организму, в половине случаев раковой клетки разного типа она обходит апоптоз.

Причина в том, что в раковой клетке включается аутокринная регуляция деления клетки. Это открытие сделали М. Спорн и Г. Тодаро (M.B. Sporn, G.J.Todaro, 1980).

Оказалось, что молекула-рецептор и молекула-лиганд синтезируются в самой раковой клетке. Для этого в ней включаются сразу два гена. В нормальной клетке взрослого организма эти гены репрессированы.

Один синтезирует фактор роста, а другой – рецептор к нему. Это продукты через копии их генов – иРНК. После синтеза молекула-рецептор встраивается в мембрану раковой клетки, а молекула-лиганд т.е. фактор роста, секретируется в межклеточную среду вблизи от раковой клетки. Молекула-рецептор вылавливает эту молекулу-лиганд и соединяется с ней. Это изменяет конформацию внутренней части молекулы-рецептора. В результате запускается один из биохимических ответов клетки – она включается в клеточный цикл. Это явление ученые назвали аутокринным механизмом размножения клетки (Рис. 1).

Рис. 1.

Аутокринная секреция и механизм превращения нормальной клет- ки в раковую

: а – молекула фактора роста в скрытой форме внутри клетки- б – молекула-рецептор- в – молекулы фактора роста- г – взаимодействие молекулы- рецептора клетки с молекулой фактора роста.

Но главное – другое. М. Спорн и Г. Тодаро (1980) в опытах с культурой клеток доказали, что аутокринный механизм размножения клетки является причиной превращения нормальной клетки в раковую клетку. Они пишут, что меньшая потребность раковой клетки в экзогенных факторах роста может быть без труда объяснена эндогенным синтезом их, т. е. в самой клетке.

В ряде опытов на питательной среде были выращены нормальные клетки. Затем в эту среду добавляли белки из раковых клеток опухолей человека, а также из клеток опухолей животных. Эти белки вызывали превращение нормальных клеток в раковые клетки. Поэтому ученые назвали такие белки – трансформирующими факторами роста – TGFs-альфа. Они были выделены также из питательной среды, в которой выращивали клетки, взятые из опухолей человека. Эти факторы роста имеют свои рецепторы на поверхности раковой клетки и являются стимулом для постоянного размножения раковых клеток.

Действие TGFs-альфа на клетки в культуре проявляется следующим образом:

- они для клеток являются сильными митогенами – повышают плотность культур, снижается лимит концентрации сыворотки для пролиферации, вплоть до того, что клетки приобретают способность размножаться в среде без сыворотки-

- при наличии их в среде происходит морфологическая трансформация клеток-

- появление у клеток в их присутствии способности к пролиферации без прикрепления к субстрату в полужидких гелевых средах-

- тест на образование колоний в «мягком агаре» считается одним из наиболее устойчивых «in vitro» признаков способности клеток образовывать опухоли «in vivo»-

- все эффекты TGFs-альфа обратимы: при переносе клеток в среду без этих факторов «клетки возвращаются в исходное состояние» (G.J. Todaro et al.,1981).

Авторы считают, что аутокринные механизмы потенциально очень опасны для выживания организма, если они не находятся под жестким регулированием как только надобность в них отпадает. Эти гены были необходимы клеткам в раннем эмбриогенезе. Поздняя экспрессия их в нормальной клетке превращают ее в раковую клетку.

В заключение ученые подчеркивают, что рак в будущем можно лечить: репрессией этих генов или с помощью специфических веществ, тормозящих синтез и активность этих факторов роста и рецепторов к ним.

Однако, раковые клетки характеризуются не только неограниченным делением, но и способностью к инвазии, т.е. свойством, которое не зависит от факторов роста.

Включение генов аутокринной регуляции деления в раковой клетке делает ее независимой от сигналов извне не только для размножения. Она становится способной жить в организме изолированно от других клеток, но среди них, т.е. становится самостоятельным одноклеточным организмом. Это клетка- организм возникает в организме-хозяине и паразитирует на нем.

В нормальной клетке факторы роста и рецепторы к ним, G-белки, связанные с мембраной клетки, белки-передатчики сигнала в цитоплазме, а в ядре клетки – транскрипционные белки, – это продукты нормальных генов экспрессии. Их экспрессия находится под контролем генов-супрессоров, в частности, гена белка р53.

При отсутствии в клетке такого контроля в результате мутаций в гене- супрессоре белка р53 или репрессии гена-супрессора Rb1 дерепрессия генов факторов роста и рецепторов к ним превращает нормальную клетку в раковую. Но для клинической практики очень важен тот факт, что раковые клетки можно вернуть в исходное состояние, если перенести в среду без TGFs-альфа.

Концепция аутокринного механизма возникновения раковой клетки и его молекулярных причин открывает новые пути воздействий на раковые клетки. Ликвидация раковых клеток может осуществляться двумя путями: 1) уничтожением клеток и 2) возвращением их в нормальное состояние, т.е. реверсией.

В настоящее время онкологи заняты удалением и уничтожением раковых клеток в организме пациента, но реверсия раковых клеток подтверждена во многих экспериментах.

Факторы роста и их рецепторы раковой клетки, G-белки, связанные с мембраной клетки, белки-передатчики сигнала в цитоплазме, белки транскрипции в ядре клетки – это новые мишени для создания избирательно действующих средств и лекарств против раковых клеток. Большой вклад в это внесли ученые нашей страны и их материалы мы здесь цитируем – Н.Е. Кушлинский, Е.С. Герштейн (1996), С.А. Тюляндин (1999), Н.Е. Кушлинский (1999), Д.А. Носов (2001).

1. В раковой клетке чрезмерная экспрессия рецептора факторов роста. Например, рецептор эпидермального фактора роста – EGFR. Он продукт гена c-erbB1. За счет амплификации гена, т.е. избытка его иРНК, синтез рецептора чрезмерен.

Для подавления чрезмерной экспрессии рецептора, можно подавлять этот ген разными способами, например, интерферирующей РНК (РНКи) к иРНК этого гена. Можно избирательно связать белок-рецептор моноклональным антителом или синтезировать по его пространственной структуре избирательно действующее химическое соединение. Молекула этого соединения будет комплементарна активным участкам молекулы-рецептора. В результате будет прекращена передача сигнала к делению в раковой клетке, что затем может вести к регрессу рака.

2. Тирозинкиназа С. Она составляет цитоплазматическую часть белка- рецептора для многих факторов роста – эпидермальный фактор роста (EGF) и TGFs-альфа, фактор роста эндотелия сосудов (VEGF-1) и другие. Присоединяя фосфатную группу, этот фермент становится активным и затем фосфорилирует молекулы-передатчики сигналов. Для подавления тирозинкиназы С уже синтезированы химические соединения, которые ингибируют фосфорилизацию ее, что исключает сигнал от этого фермента к молекулам-передатчикам сигналов в раковой клетке.

3. Эпидермальный фактор роста (EGF) и трансформирующий фактор роста (TGFs-aльфа). Они имеют общий рецептор на раковой клетке. Эти молекулы-лиганды при связывании с рецептором на раковой клетке, вызывают ее деление. В раковой клетке их синтез чрезмерен. Здесь могут быть два воздействия: подавление синтеза и секреции факторов роста в раковой клетке и блокада связывания его с молекулой-рецептором на раковой клетке. Для этого создаются химические соединения. Но проще создать интерферирующую РНК к иРНК гена фактора роста и/или то же к гену белка-рецептора этого фактора роста.

4. Белок гена семейства ras. Из-за мутации в этом гене белок Ras не способен терять фосфатную группу, поэтому постоянно активен, стимулируя раковую клетку к делению.

Белок гена ras для выполнения своего действия должен прежде приобрести необходимую для него пространственную структуру и прикрепиться к внутренней поверхности мембраны раковой клетки. Для этого ему требуется фермент – фарнезилтрансфераза. Без него белок гена ras не может присоединять к себе фосфатные группы, а значит передавать сигналы от белка-рецептора к ядру раковой клетки. Для подавления фермента создаются ингибиторы его, что будет тормозить пролиферацию раковой клетки.

5. Раковая клетка-мишень для лекарств и других средств. На раковой клетке имеются белки-рецепторы к эпидермальному фактору роста, к эмбриональному белку альфа-фетопротеину. На этой основе можно создать гибридный белок из этого фактора роста или альфа-фетопротеина, к нему химически присоединить молекулу цитотоксического препарата. При этом молекула белка служит средством адресной доставки, т.е. только в раковые клетки, не затрагивая здоровые клетки, и так уничтожать их.

Можно создать моноклональное антитело к р-гликопротеину – он на раковой клетке любого типа. Его химически соединить с цитотоксическим препаратом и также адресно доставить в раковые клетки. Побочного эффекта у паци- ента может не быть совсем или будет минимальным, так как на раковой клетке экспрессия р-гликопротеина намного больше, чем на нормальной клетке.

6. Внедрение нормальной копии гена белка р53 в раковые клетки.

При наличии мутаций в гене этого белка, в раковые клетки можно вводить с помощью вирусного вектора, в том числе вируса Т4, нормальную копию гена р53. Это восстановит апоптоз в раковых клетках у пациента, что и уничтожит их.

Наличие мутаций в гене р53 – ценный маркер для ранней диагностики раковых клеток в организме пациента по анализу образца плазмы крови от него.

Итак, лекарства стандартной химиотерапии направлены для уничтожения всех раковых клеток в организме пациента. Но это не удается достичь, так как сами лекарства не могут отличить раковую клетку от нормальной клетки. Мишенью для них является ДНК раковых клеток, она же оказывается мишенью в той же степени и для нормальных клеток.

Лекарства, действующие на факторы роста и молекулы – передатчики сигналов в раковых клетках, «больше подавляют пролиферацию раковых клеток, но не убивают их». Но в отличие от химиотерапии, их действие избирательное – на раковые клетки. Это новый метод, для которого необходимо выявлять в раковой клетке от конкретного пациента генетические и биохимические

«отклонения» (С.А. Тюляндин, 1999).

В разделе 3.2. мы рассматривали GPCR и G-белок в передаче сигналов в нормальной клетке.

Т. Кенакин (T. Kenakin, 2006) отмечает, что GPCR-рецепторы имеют еще одно свойство – «конститутивную активность». То есть «иногда они активируют G-белки без всякой видимой причины, т.е. в отсутствие лиганда».

Ученый подчеркивает, что на раковых клетках «необычно много конститутивных рецепторов» и предполагает, что с этим может быть связана «их способность к бесконтрольному делению». Такой «сбой в поведении раковой клетки от конститутивных рецепторов не удается устранить никакими известными сегодня лекарственными средствами» (Рис. 2).

Рис. 2.

Конститутивный GPCR-рецептор в активной форме в отсутствие лиганда

(рис. и цит. по: Т. Кенакин, 2006).

Для этого необходимы лекарства «совершенно иного действия, которые фиксировали бы конститутивные GPCR-рецепторы в неактивной конформации».

Автор предлагает для достижения этой цели ингибитор – обратный ингибитор или агонист, который связывается с этим рецептором и инактивирует его, устраняя его контакт с G-белком, и прерывая этим сигнал (Рис. 3).

Рис. 3.

Инактивация GPCR-рецептора и прерывание сигнала присоединением обратного агониста к рецептору

(рис. и цит. по: Т. Кенакин, 2006).

Проф. Джон Дэйви, – факультет биологии Варвикского университета и компания «Септеген» (Англия) в 2003 г. разработали технологию быстрого испытания лекарств для лечения различных болезней, в том числе и рака.

Мишени этих лекарств – рецепторы, связанные с G-белками (GPCR), которые обеспечивают передачу сигналов между клетками в организме. Дефекты этих белков ведут ко многим болезням и к возникновению раковой клетки. Это причина того, что связанные с ними рецепторы стали той мишенью, на которую должны воздействовать новые лекарства.

Секвенирование генома человека дало специалистам информацию о функции нескольких сотен рецепторов, многие из которых могут стать мишенями лекарственного воздействия. Однако, говорит проф. Джон Дэйви, «знать, что эти мишени или цели существуют – это одно, а способность воздействовать на них – совсем другое».

Проф. Джон Дэйви разработал новый метод, который позволяет выявить возможное воздействие лекарств на эти рецепторы.

По технологии GPCR человека помещают в живую клетку простых дрожжей и наблюдают за действием лекарства. По мнению автора, новая технология позволяет «определять мельчайшие различия между рецепторами разных людей, что дает возможность выявить лекарства, наиболее эффективные для каждого пациента».<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!